GTO与GTR

2.4 典型全控型器件（第三讲）
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。

2.4.1门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管：是晶闸管的一种派生器件，属于电流驱动型器件，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。

1、GTO的结构和工作原理
结构：与普通晶闸管的相同点是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极，符号如图1所示。

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。

2、GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同。

关断过程：与普通晶闸管有所不同，开通和关断过程电流波形如图2所示。

图1 GTO的元件符号图图2开通和关断过程电流波形（1）储存时间t s，使等效晶体管退出饱和。

（2）下降时间t f。

（3）尾部时间t t，残存载流子复合时间。

通常t f比t s小得多，而t t比t s要长；门极负脉冲电流幅值越大，t s越短。

3、GTO的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。

（1）开通时间t on ：延迟时间与上升时间之和。

延迟时间一般约1~2μs ，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。

（2）关断时间t off ：一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。

下降时间一般小于2μs 。

不少GTO 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。

（3）最大可关断阳极电流I ATO ：GTO 器件额定电流。

（4）电流关断增益βoff ：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I GM 之比称为电流关断增益：I I GM
ATO off =β βoff 一般很小，只有5左右，这是GTO 的一个主要缺点。

1000A 的GTO 关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。

4、GTO 的驱动（1.6.3 典型全控型器件的驱动电路）
（1）驱动波形：GTO 的开通控制与普通晶闸管相似；GTO 关断控制需施加负门极电流。

GTO 驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

推荐的GTO 门极电压电流波形如图3所示。

图3推荐的GTO 门极电压电流波形
直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。

目前应用较广，但其功耗大，效率较低。

（2）教材驱动电路：典型的直接耦合式GTO 驱动电路如图:4所示。

图4 典型的直接耦合式GTO驱动电路
（2）实验台GTO驱动与保护电路
GTO的驱动与保护电路如图5所示，电路由±5V直流电源供电，输入端接PWM 发生器输出的PWM信号，经过光耦隔离后送入驱动电路。

当比较器LM311输出低电平时，V2、V4截止、V3导通，+5V的电源经R11、R12、R14和C1加速电容向GTO提供开通电流，GTO导通；当比较器输出高电平时，V2导通、V3截止、V4导通，-5V 的电源经L1、R13、V4、R14提供反向关断电流，关断GTO后，再给门极提供反向偏置电压。

输入PWM信号低电平开通GTO，输入PWM信号高电平关断GTO。

L1作用是抑制di/dt变化过快，“推荐的GTO门极电压电流波形”与“GTO关断过程电流波形”矛盾。

图5 GTO驱动与保护电路原理图
附加参考电力晶体管
电力晶体管是耐高电压、大电流的双极结型晶体管，有时候也称为Power BJT，也是电流驱动型器件。

电力晶体管20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。

1、GTR的结构和工作原理
GTR 的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。

在应用中，GTR 一般采用共发射极接法。

集电极电流i c 与基极电流i b 之比为：b
c i i =β β ——GTR 的电流放大系数。

单管GTR 的β 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。

（1）静态特性
共发射极接法时GTR 的输出特性如图6所示，分为截止区、放大区和饱和区。

在电力电子电路中GTR 工作在开关状态。

在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。

图6 共发射极接法时GTR 的输出特性 图7 GTR 的开通和关断过程电流波形 （2）动态特性
GTR 的开关时间在几微秒以内。

GTR 的开通和关断过程电流波形如图7所示。

开通过程：迟时间t d 和上升时间t r ，二者之和为开通时间t on 。

关断过程：储存时间t s 和下降时间t f ，二者之和为关断时间t off 。

2、GTR 的驱动
理想的GTR 基极驱动电流波形如图8所示。

开通驱动电流应使GTR 处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。

关断GTR 时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。

关断后应在基射极之间施加一定幅值（6V 左右）的负偏压。

图9给出了GTR 的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。

A 端加PWM 信号高电平时，主管V 导通；加PWM 低电平时，主管V 关断。

PWM 信号采用高速型光电隔离器驱动V 2；VD 1保证V 3可靠截止，V 2不必工作
在深度饱和区；C1是自举电容，提高开通电压；C2是主管V的基极加速电容，开通时快速提供主管V基极电压，关断时经V6泄放主管V基极电荷，使主管快速关断；VD2和VD3组成抗饱和“贝克”电路，当主管V过饱和时，Vce小于Vbe时，VD2导通，将Ib分流，属抗过饱和箝位电路，使Vcb=0。

图8 理想驱动电流波形图9 GTR的一种驱动电路。