可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor, GTO)
门极可关断晶闸管的驱动
门极可关断晶闸管的驱动门极可关断晶闸管(GTO)可以用正门极电流开通和负门极电流关断。
在工作机理上，开通时与一般晶闸管基本相同，关断时则完全不一样。
因此需要具有特别的门极关断功能的门极驱动电路。
抱负的门极驱动电流波形如图2-29所示，驱动电流波形的上升沿陡度、波形的宽度和幅度、及下降沿的陡度等对GTO的特性有很大影响。
GTO门极驱动电路包括门极开通电路、门极关断电路和门极反偏电路。
对GTO 而言，门极掌握的关键是关断。
(1) 门极开通电路GTO的门极触发特性与一般晶闸管基本相同，驱动电路设计也基本全都。
要求门极开通掌握电流信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓的脉冲波形。
脉冲前沿陡有利于GTO的快速导通，一般dIGF/dt 为5～10A/μs；脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，削减开通损耗；脉冲有足够的宽度则可保证阳极电流牢靠建立；后沿缓一些可防止产生振荡。
(2) 门极关断电路已导通的GTO用门极反向电流来关断，反向门极电流波形对GTO 的平安运行有很大影响。
要求关断掌握电流波形为前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓。
一般关断脉冲电流的上升率dIGR/dt取10～50A/μs，这样可缩短关断时间，削减关断损耗，但dIGR/dt过大时会使关断增益下降，通常的关断增益为3～5，可见关断脉冲电流要达到阳极电流的1/5～1/3，才能将GTO关断。
当关断增益保持不变，增加关断掌握电流幅值可提高GTO的阳极可关断力量。
关断脉冲的宽度一般为120μs左右。
图1 抱负的GTO门极驱动电流波形(3) 门极反偏电路由于结构缘由，GTO与一般晶闸管相比承受du/dt的力量较差，如阳极电压上升率较高时可能会引起误触发。
为此可设置反偏电路，在GTO正向阻断期间于门极上施加负偏压，从而提高电压上升率du/dt 的力量。
12 第5章 GTO
★全控型，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
★ GTO 的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，水
平4500A/5000V、1000A/9000V。
★ 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力 有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。
GTO 第3页
GTO 第4页
5.1.1 结构
●与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部
GTO 第17页
（2）下降时间tf ●下降时间 tf 对应着阳极电 流迅速下降，阳极电压不 断上升和门极反电压开始 建立的过程。
●这段时间里，等效晶体管 从饱和区退至放大区，继 续从门极抽出载流子，阳 极电流逐渐减小。
●门极电流逐渐减小。
GTO 第18页
（3）尾部时间tt ●尾部时间 tt 是指从阳极电 流降到极小值开始，直 到降到维持电流为止的 时间。 ●这段时间内，残存载流 子被抽出。 ●一般： tt > ts >tf
GTO 第29页
5.3 GTO的缓冲电路
5.3.1 缓冲电路的作用
1、GTO缓冲电路主要作用： (1) GTO关断时，在阳极电流下降阶段，抑制阳极电压 VAK 中的尖峰 VP ，对 IA 进行分流，以降低关断损耗， 防止导通区减小、电流密度过大、引起结温升高， 和α1、α2增大给关断带来困难。 GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助 于所有GTO元迅速达到擎住电流，尤其是主电路为 电感负载时。
I ATO I GM
●一切影响IATO和IGM的因素均会影响βoff。 3、 阳极尖峰电压VP ●阳极尖峰电压VP是在下降时间末尾出现的极值电压。 ●它几乎随阳极可关断电流线性增加， VP 过高可能导致
GTO失效。
电力电子半导体器件(GTO)
掩埋门极GTO
逆导GTO
MOS—GTO
光控GTO§6.2 特性与参数一、静态特性
1．阳极伏安特性*
减小温度影响，可在门极与阴极间并一个电阻定义：正向额定电压为90%VDRM反向额定电压为90%VRRM
毛刺电流2．通态压降特性
通态压降越小，通态损耗越小
尽量缩短缓冲电路的引线，采用快恢复二极管和无感电容。
4．dv/dt和di/dt
①dv/dt ：①dv/dt ：
静态dv/dt 指GTO阻断时所能承受的最大电压上升率，过高
会使GTO结电容流过较大的位移电流，使α增大，印发误导通。
结温和阳极电压越高，GTO承受静态dv/dt 能力越低；门极反偏
10．关断时间：toff为存储时间
ts与下降时间tf之和。随阳极电流增大而增大2us随阳极电流增大而增大2us可关断晶闸管的主要参数和电气特性:§6.3 GTO的缓冲电路一、缓冲电路的作用
GT0的缓冲电路除用来抑制换相过电压，限制dv/dt，
，，
，动态
均压之外，还关系到GTO的可靠开通和关断，尤其是GTO的关
②下降阶段：tfIG变化到最大值－
IGM时，P1N1P2晶体管退出饱和，N1P2N2晶体管恢复控制能力，α1、α2不断减小，内部正反馈停止。
阳极电流开始下降，电压上升，关断损耗较大。尤其在感性
负载条件下，阳极电压、电流可能同时出现最大值，此时关负载条件下，阳极电压、电流可能同时出现最大值，此时关
特点：
①α1<
α212P1N1P2管不灵敏，
N1P2N2管灵敏。
②α1+
α2略大于1；器件
电力电子半导体器件(GTO)
二、动态特性
1．开通特性：
开通时间：ton = td + tr
由元件特性、门极电流上升率 diG/dt及门极脉冲幅值大小决定。 上升时间内，开通损耗较大；
阳极电压一定时，开通损耗随 阳极电流增大而增大。
延迟时间
上升时间
2．关断特性：
说明：
①存储时间ts内，GTO导通区不断 被压缩，但总电流几乎不变。
（吸收回路）
② di/dt：阳极电流上升率
GTO开通时， di/dt过大会导致阴极区电流局部集中或使开通 损耗增大，引起局部过热，而损坏GTO。（串联电感）
5．浪涌电流及I2t 值
与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重 复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件 性能的变差。
主要作用：
（1）GTO关断时，在阳极电流下降阶段，抑制阳极电压VAK中 的尖蜂VP，以降低关断损耗，防止由此引起结温升高，α增大给 关断带来困难。
（2）抑制阳极电压VAK的上升率dv/dt ，以免关断失败。 （3）GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有 GTO元达到擎住电流值，尤其是主电路为电感负载时。
随阳极电流增大而增大
2us
可关断晶闸管的主要参数和电气特性:
§6.3 GTO的缓冲电路
一、缓冲电路的作用
GT0的缓冲电路除用来抑制换相过电压，限制dv/dt，动态 均压之外，还关系到GTO的可靠开通和关断，尤其是GTO的关 断，一要依靠正确的门极负脉冲参数，二要依靠合理的缓冲电 路参数，两者缺一不可。
关断条件： α1 +α2 <1
IGM(122)1IA
被关断的最大阳极电流
TO
电流关断增益：
门极可关断晶闸管GTO大功率晶体管GTR
(U SB , ISB ) A
称为二次击穿。
IB＞ 0
一次击穿
BUCEO
27
U CE
A点对应的电压USB 和电流ISB称为二次击穿
的临界电压和电流，其
I C 二次击穿 二次击穿
(U SB , ISB ) A
乘积为： PSB=USBISB
IB＞ 0
一次击穿
U CE
称为二次击穿的临界功率。当GTR的基极正偏时，二次击穿的
21
电力三极管的主要特点
▪ 是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通 和关断；
▪ 开关速度较快；
▪ 饱和压降较低；
▪ 有二次击穿现象；
▪ 能控制较大的电流和较高的电压；
▪ 电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品 化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、 800A;
极电流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应 予以注意。
10
2． 关断增益βq
这个参数是用来描述GTO关断能力的。关断增益
βq 为 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 IATO 与 门 极 负 电 流 最 大 值
IGM之比，即：
q
I ATO | IGM
|
目前大功率GTO的关断增益为3～5。采用适当的 门极电路，很容易获得上升率较快、幅值足够大的门 极负电流，因此在实际应用中不必追求过高的关断 增益。
GTR属于第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管不 能自关断与开关速度慢的缺点。其电气符号与普通晶体 管相同。
GTR是一种双极型大功率高反压晶体管，具有自关断
能力，控制方便，开关时间短，高频特性好，价格低廉。
可用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电力变
12 第5章 GTO解析
GTO 第14页
5.2.1.3 安全工作区 1 、正向偏置： GTO 是双稳态开 关器件，在正向偏置即门极加 正触发信号时，没有安全工作 区的问题。 ( 见右图轨迹贴近横纵轴） 2、反向偏置： ●GTO在反向偏置有安全工作区 问题。 ●GTO安全工作区定义：在一定 条件下，GTO能够可靠关断的 阳极电流与阳极电压的轨迹。 图6-9。 ●若条件改变，如驱动电路或缓 冲电路参数改变之后，安全工 作区也改变。
GTO 第7页
●导通过程 浅。
与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较
●关断过程：门极加负脉冲即从门极抽出电流，形成强烈 正反馈——
IG↓—→Ib2↓—→IK、Ic2↓—→IA、Ic1↓
↑ 当IA和IK的减小使1+2<1时， 器件退出饱和而关断。
GTO 第8页
●GTO的关断条件:
1+ 2 <1
★全控型，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
★ GTO 的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，水
平4500A/5000V、1000A/9000V。
★ 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力 有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。
GTO 第3页
GTO 第4页
5.1.1 结构
●与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部
来分析。
●当阳极加正向电压、门极加触发信号时，
GTO导通，具体过程如下：正反馈过程。
● 1+ 2=1是器件临界导通的条件。当 1+ 2>1时，两个
等效晶体管过饱和而使器件导通；当 1+ 2<1时，不能 维持饱和导通而关断。 GTO的掣住电流。
电力电子技术-2.3_GTO与GTR
ic=bib
电 子 流 ie=(1+b )ib c)
Ec
1-21
电力晶体管
1）GTR的结构和工作原理
空穴流 ic=bib
在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为
ib 电 子 流 ie=(1+b )ib Ec
Eb
b
控制能力 。
b ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的
1-2
2.4.1 门极可关断晶闸管
门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ Gate-Turn-Off
Thyristor —GTO）
晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用 (6KV,6KA,10MVA的系统)。
1-9
门极可关断晶闸管
结论：
GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时
饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和 而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程
快，承受di/dt能力强 。
1-10
门极可关断晶闸管
2) GTO的动态特性
开 通 过 程： 与普 通晶 闸管基本相同。开通 初期应能提供足够的 门极脉冲电流，宽度 持续使阳极电流达到 挚住值。与晶闸管不 同的是开通后门极应 保持正偏，继续提供 约 10 ％ 的 门 极 电 流 保 证GTO可靠导通。
Ic
放大区
ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uce
和饱和区。
在电力电子电路中GTR工 作在开关状态。
在开关过程中，即在截止
可关断器件
a)
b)
c)
GTR的结构、电气图图1-形15 符号和内部载流子的流动
电力电子技术
2.2 GTR的工作原理
基极b 发射极c 基极b
P+ N+ P+ P基区
N漂移区 N+衬底
集电极c
a)
ic
ib
c b
e
b)
ic=ib
空穴流 ib
Eb
电
子
Ec
流
ie=(1+ib c)
i i I 图1-15 c
b ceo
A
P1
N1 N1
G
P2 P2
N2
K
A
IA PNP
V1 G IG Ic1
Ic2 R
NPN V2
S
EG
IK
EA
K
a)
b)
电力电子技术
A
P1
N1 N1
G
P2 P2
N2
K a)
A
IA P NP
V1 G IG Ic1
Ic2 R
NP N V2
S
EG
IK
EA
K
b)
GTO的开通原理与普通晶闸管相同，只是导通 时的饱和程度不高，有利于门极控制关断。
– 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，
并伴随电压的陡然下降 – 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变
电力电子技术
安全工作区（Safe Operating Area——SOA）
Ic
IcM
PSB
SOA O
PcM UceM Uce
电力电子技术
3、电力场效应晶体管
门极可关断晶闸管
精品文档门极可关断晶闸管GTO（百度百科）门极可关断晶闸管是晶闸管的一个衍生器件。
但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断，它是全控型器件。
中文名门极可关断晶闸管外文名Gate-Turn-Off Thyristor简称门极可关断晶闸管的简称类型晶闸管的一个衍生器件通过通过门极施加负的脉冲电流目录1概述2GTO的结构3GTO与普通晶闸管的不同4GTO的主要参数1概述GTO（ Gate-Turn-Off Thyristor ）是门极可关断晶闸管的简称，他是晶闸管的一个衍生器件。
但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断，他是全控型器件。
2GTO的结构GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极．阴极和门极。
但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。
虽然外部同样引出三个极，但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些 GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，他是为了实现门极控制关断而设计的。
GTO的内部结构图和电气图形符号精品文档GTO的工作原理从图中可知 PNP和 NPN构成了二个晶闸管V1 V2 分别有共基极电流增益a1 和 a2。
1当 a1+a2=1时，是器件临界导通的条件。
2当 a1+a2>1时，是二个晶体管过饱和导通的条件。
3当 a1+a2<1时，是不能维持饱和导通而关断的条件。
3GTO与普通晶闸管的不同1)在设计器件时使 a2 较大，这样晶体管 V2 控制灵敏，这样 GTO可以很容易关断。
2）使得 a1+a2 趋向与 1，普通晶闸管 a1+a2>=1.15，而 GTO的近似为 1.05 ，这样 GTO导通时饱和程度不深，更接近与临界饱和，为门极可关断控制提供了有力条件。
不利因素，导通时管压降增大了。
3）集成结构中每个GTO单元的阴极面积小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2 基区的横向电阻很小，使门极抽出较大的电流成为可能。
4）它比普通晶闸管开通过程快，承受的电压能力强。
门极可关断GTO晶闸管的
《电力电子技术》论文题目：门极可关断(GTO)晶闸管的工作原理及发展前景班级：姓名：序号：学号：指导教师：郭老师2014年5月20日门极可关断(GTO)晶闸管的工作原理及发展前景引言电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面,其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础,也是电力电子技术发展的“龙头”。
从年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代,这标志着电力电子技术的诞生。
到了70 年代,晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。
同时,非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世,广泛应用于各种变流装置。
由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点,其研制及应用得到了飞速发展。
由于普通晶闸管不能自关断,属于半控型器件,因而被称作第一代电力电子器件。
在实际需要的推动下,随着理论研究和工艺水平的不断提高,电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展,先后出现了GTR 、GTO、功率MOSET 等自关断、全控型器件,被称为第二代电力电子器件。
近年来,电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展,如GPT，MCT，HVIC等就是这种发展的产物。
1.什么是门极关断(GTO)晶闸管1964年,美国第一次试制成功了500V/10A 的GTO。
在此后的近10年内,的容量一直停留在较小水平,只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。
自70 年代中期开始,GTO的研制取得突破,相继出世了1300V/600A 、2500V/1000A 、4500V/2000A的产品,目前已达9KV/25KA/800Hz及6Hz/6KA 的水平。
GTO有对称、非对称和逆导三种类型。
与对称下相比,非对称通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力。
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可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor, GTO)
一种施加适当极性的门极信号，可从通态转换到断态或从断态转换到通态的三端晶闸管。
一般用GTO表示，也可表示为GCS。
GTO的符号及正向稳态伏安特性如图1所示。
GTO 是一种较理想的直流开关元件，作开关时，与普通晶闸管相比，最突出的优点是：①能自关断，不需要复杂的换流回路；②工作频率高。
缺点是：①同样工作条件下擎住电流大。
擎住电流指刚从断态转入通态并切除门极电流之后，能维持通态所需的最小阳极电流。
②关断脉冲对功率和负门极电流的上升率要求高。
GTO与功率晶体管相比,其优点是：①能实现高压、大电流；②能耐受浪涌电流；③开关时只需瞬态脉冲功率。
缺点是门控回路比较复杂。
结构和工作原理GTO有3个引出电极（图2）, 分别用阳极(A)、阴极(K)、门极(G)表示。
正向时，阳极和阴极间加正压，若门极无电压,则GTO阳极电压低于转折电压时不会导通；若门极加正压,则GTO在阳极电压小于转折电压时被门极触发导通(图1b)。
GTO的关断是在门极加一定的负压，抽出负电流，使阴极导通区由接近门极的边缘向阴极中心区收缩，可一直收缩到载流子扩散长度的数量级。
因为,GTO的阴极条宽度小,抽流时,P2区横向电阻引起的横向压降小于门、阴极的反向击穿电压。
此时,由于GTO不能维持内部电流的正反馈，通态电流开始下降，此过程经过一定时间，GTO达到关断。
GTO在感应加热调节器、静止变频器、电力机车的电工设备等方面得到广泛应用，其发展方向是高频、高压、大电流。
门极辅助关断晶闸管在阳极电流过零反向后的某一时刻门极才加负压,使器件恢复阻断的GTO。
门极辅助关断晶闸管通常采用放大门极和阴极短路结构，门、阴极图形采用高度交叉指状结构。
这种器件的优点是关断时间短，开通特性好，允许的通态电流上升率和通态电压上升率较高。
它可用来构成斩波器、逆变器等工作频率较高的电路。