电力电子半导体器件(GTO)
全控型电力半导体器件
问题的提出¾为什么要开发全控型器件？¾半控型器件有哪些限制？在很多情况下，如何将器件关断是一个突出的问题。
¾对关断要求不高，或有其他很有效的方法关断器件时，半控型器件是合适的。
¾反之，就需要全控型器件。
¾5.1 门极可关断晶闸管（GTO）¾5.2 电力晶体管（GTR、PRT）¾5.3 电力场效应晶体管（P-MOSFET）¾5.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）¾5.5 其他全控型电力电子器件¾5.6 模块和智能功率模块（IPM）¾5.7 电力电子技术发展概貌¾5.8 电力半导体器件和装置的保护门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）¾晶闸管的一种派生器件。
¾可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
¾电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合有较多应用ABB 5SGA 30J2501可看成多个小的这些小的SCR结单元一个单元极是被门极包围的条状阴极的宽度越窄，通态电流越容易被关断¾阴极面积太大结论¾GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。
9SCR深度饱和(1.15)，GTO临界饱和(稍大于1)¾GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
¾多元集成结构使得GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。
5.2 GTO的特性和参数大部分参数和SCR一样或类似，除了：¾门极关断电流I：指GTO从通态转为断GM态所需的门极反向瞬时峰值电流的最小值。
注意：¾GTO管压降要大些，直流通态损耗也大些。
¾GTO的关断是由门极负脉冲完成的，所以门极功耗要大些。
GTO的基本缓冲电路1）GTO 开通和关断时的波形开通时间t on =t d +t r¾t d ——触发延迟时间为门极触发电流从0.1I FGM 上升开始，至GTO 开始导通、阳极电压下降至0.9U d 的时间间隔。
电子行业电力电子半导体器件
电子行业电力电子半导体器件电力电子半导体器件是电子行业中的重要组成部分。
随着电子设备的不断更新换代，电力电子半导体器件在能源转换和电力传输过程中起到了关键作用。
本文将介绍电力电子半导体器件的基本概念、主要分类、应用领域以及未来发展趋势。
1. 基本概念电力电子半导体器件是一类能够控制电能流动的半导体器件。
它们能够在电能传输和转换过程中实现电能的调节、控制、转换和保护。
常见的电力电子半导体器件有晶闸管、二极管、IGBT（绝缘栅双极性晶体管）等。
2. 主要分类电力电子半导体器件可以根据其结构、工作方式和用途等不同分类。
2.1 晶闸管晶闸管由四个PN接面组成，具有双向导通能力。
它可以通过一个外部的控制信号来控制电流的通断，在电力系统中常用于交流电的控制和调节。
2.2 二极管二极管是由一个PN接面组成，具有单向导通特性。
它能够将交流电转换成直流电，并且能够防止反向电流的流动。
2.3 IGBTIGBT是绝缘栅双极性晶体管的简称，它是晶闸管和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的结合体。
IGBT具有高电压耐受能力和低导通损耗，广泛应用于变频器、电动汽车和电力传输等领域。
2.4 其他除了晶闸管、二极管和IGBT之外，电力电子半导体器件还包括功率MOSFET、超级结二极管、三极支撑二极管（GTO）等。
3. 应用领域电力电子半导体器件在电力系统和电子设备中有着广泛的应用。
3.1 电力系统电力电子半导体器件在电力系统中主要用于电能的传输和转换。
它们可以实现电能的调节和控制，提高电能的质量和效率。
在变频器、逆变器和冲击电流抑制器等设备中，电力电子半导体器件起到了关键作用。
3.2 电动汽车随着电动汽车的普及，电力电子半导体器件在电动汽车中的应用也越来越重要。
它们可以控制电动汽车的电机和电池系统，实现电能的高效转换和传输，提高电动汽车的续航里程和性能。
3.3 可再生能源可再生能源（如太阳能和风能）的利用需要将电能转换成其他形式的能量（如热能或机械能）。
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。
GTO的基本结构和工作原理 (2)
门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)就是一种具有自断能力的晶闸管。
处于断态时,如果有阳极正向电压,在其门极加上正向触发脉冲电流后,GTO可由断态转入通态,已处于通态时,门极加上足够大的反向脉冲电流,GTO由通态转入断态。
由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断,仅由门极加脉冲电流去关断它;所以在直流电源供电的DC—DC,DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。
这就简化了电力变换主电路,提高了工作的可靠性,减少了关断损耗,与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。
因此,GTO就是一种比较理想的大功率开关器件。
一、结构与工作原理1、结构GTO就是一种PNPN4层结构的半导体器件,其结构、等效电路及图形符号示于图1中。
图1中A、G与K分别表示GTO的阳极、门极与阴极。
α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数,α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数,图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。
通常α1比α2小,即P1N1P2晶体管不灵敏,而N2P2N1晶体管灵敏。
GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1,器件处于临界饱与状态,为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
普通晶闸管SCR也就是PNPN4层结构,外部引出阳极、门极与阴极,构成一个单元器件。
GTO称为GTO元,它们的门极与阴极分别并联在一起。
与SCR 不同,GTO就是一种多元的功率集成器件,这就是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
GTO的开通与关断过程与每一个GTO元密切相关,但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性,多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。
2、开通原理由图1(b)所示的等效电路可以瞧出,当阳极加正向电压,门极同时加正触发信号时,GTO导通,其具体过程如图2所示。
显然这就是一个正反馈过程。
当流入的门极电流I G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加,进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时,α1与α2增加。
GTO驱动电路
门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电力电子器件驱动电路简介电力电子器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接口，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。
驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；又要提供关断控制信号。
门极可关断晶闸管简称GTO, 是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件，它的容量仅次于普通晶闸管，它应用的关键技术之一是其门极驱动电路的设计。
门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，而门极关断技术应特别予以重视。
门极可关断晶闸管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。
2.GTO驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不高。
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。
用理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提高开关速度，减少开关损耗。
GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很大幅度的负脉冲电流使其关断。
因此全控器件GTO的驱动器比半控型SCR复杂。
门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, 而且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, 工作频率、最大重复可控阳极电流等一系列重要指标。
门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。
GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流比普通晶闸管大得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要大大加宽。
此外, 普通晶闸管的通态压降比较小, 当其一旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降, 门极通常仍需保持一定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗比普通品闸管的触发电路要大的多。
GTO的基本结构和工作原理
门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。
处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO由通态转入断态。
由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。
这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。
因此，GTO是一种比较理想的大功率开关器件。
一、结构与工作原理1、结构GTO是一种PNPN4层结构的半导体器件，其结构、等效电路及图形符号示于图1中。
图1中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。
α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数，图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。
通常α1比α2小，即P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1晶体管灵敏。
GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1，器件处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
普通晶闸管SCR也是PNPN4层结构，外部引出阳极、门极和阴极，构成一个单元器件。
GTO称为GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起。
与SCR不同，GTO是一种多元的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
GTO的开通和关断过程与每一个GTO元密切相关，但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。
2、开通原理由图1（b）所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通，其具体过程如图2所示。
显然这是一个正反馈过程。
当流入的门极电流I G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时，α1和α2增加。
gto器件电路符号
gto器件电路符号
GTO（Gate Turn-Off）是一种功率器件，它在电力电子应用中常用于高压、大电流的开关控制。
下面是GTO器件的电路符号：
+-----+。
G --| |。
| GTO |。
K --| |。
+-----+。
A --| |。
| |。
C --| |。
+-----+。
上述符号表示了GTO器件的三个主要引脚，G（Gate），K （Cathode）和A（Anode）。
G引脚用于控制GTO器件的开关操作，K引脚对应阴极，A引脚对应阳极，而C引脚则是GTO器件的控制电路的共用引脚。
需要注意的是，不同的电路设计和制造商可能会有稍微不同的GTO器件符号，但上述符号是最常见和通用的表示方法之一。
GTO器件的工作原理是通过控制G引脚的电压来实现器件的开关操作。
当G引脚施加正向电压时，GTO器件处于导通状态，电流可以从A引脚流向K引脚。
而当G引脚施加负向电压时，GTO器件处于关断状态，电流无法通过。
希望以上内容能够满足你的需求，如果还有其他问题，请随时提出。
1.2门极可关断晶闸管GTO 4.2 大功率晶体管GTR
直流负载线
9
2. GTO的特定参数
1． 最大可关断阳极电流IATO
IATO也是GTO的额定电流。 GTO的阳极电流 IA过大时，管子饱和加深，
导致门极关断失败，因此，GTO必须规定一个最
大可关断阳极电流IATO，也就是管子的铭牌电流。
IATO与管子电压上升率、工作频率、反向门极电
流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应予以 注意。
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; 逐步被其他全控型电力电子器件（特别是IGBT和 MOSFET），趋于淘汰
22
1.
GTR的极限参数
(1)．集电极最大电流ICM(最大电流额定值)
（MOSFET） 、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
2
电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件
——通过控制信号可以控制其导通而不能控制
其关断，晶闸管是典型的半控型电力电子器件。 全控型器件 ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件，GTO、GTR等。
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
力变流装臵中。
20
图4-5 1300系列GTR的外观
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；
GTO驱动电路
GTO驱动电路门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电⼒电⼦器件驱动电路简介电⼒电⼦器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接⼝，可使电⼒电⼦器件⼯作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减⼩开关损耗，对装置的运⾏效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
⼀些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。
驱动电路的基本任务：按控制⽬标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；⼜要提供关断控制信号。
门极可关断晶闸管简称GTO, 是⼀种通过门极来控制器件导通和关断的电⼒半导体器件，它的容量仅次于普通晶闸管，它应⽤的关键技术之⼀是其门极驱动电路的设计。
门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，⽽门极关断技术应特别予以重视。
门极可关断晶闸管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。
2.GTO驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不⾼。
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。
⽤理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提⾼开关速度，减少开关损耗。
GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很⼤幅度的负脉冲电流使其关断。
因此全控器件GTO的驱动器⽐半控型SCR复杂。
门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, ⽽且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, ⼯作频率、最⼤重复可控阳极电流等⼀系列重要指标。
门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。
GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流⽐普通晶闸管⼤得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要⼤⼤加宽。
此外, 普通晶闸管的通态压降⽐较⼩, 当其⼀旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降,门极通常仍需保持⼀定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗⽐普通品闸管的触发电路要⼤的多。
电力电子器件
传统的开关器件包括晶闸管（SCR）、电力晶体管（GTR）,可 关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）等。近年来 ，随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继出现了绝缘栅极双 极型晶体管（IGBT）、场控晶闸管（MCT）等新型电力电子器件 。
电力电子器件的性能要求是大容量、高频率、易驱动和低损耗 。因此，评价器件品质因素的主要标准是容量、开关速度、驱动功 率、通态压降、芯片利用率。
图4-27 IGBT的简化等效电路图
图4-27 IGBT的简化等效电路图
图4-27 IGBT的简化等效电路图
图4-27 IGBT的简化等效电路图 MCT阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。虽 然目前的容量水平仅为1000V/100A，其通态压降只有IGBT或 GTR的1/3左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最 高的。另外，MCT可承受极高的di/dt和du/dr，这使得保护电路 可以简化。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。总之， MCT被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。
IGBT是多元集成结构，每个IGBT元的结构如图4-27（a）所示， 图4-27（b）是IGBT的等效电路，它由一个MOSFET和一个PNP 晶体管构成，给栅极施加正偏信号后，MOSFET导通，从而给PNP 晶体管提供了基极电流使其导通。给栅极施加反偏信号后， MOSFET关断，使PNP晶体管基极电流为零而截止。图4-27（c） 是IGBT的电气符号。
机电一体化
图4-27 IGBT的简化等效电路图
IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于电力晶体管。 IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和 发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和 MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和电力晶 体管接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。
电力电子半导体器件GTO介绍
由于GTO的多元结构，开通和关断过程与SCR不同，同时GTO 元的特性又不同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关 过程产生了一系列新的问题。
off
影响IATO的因素都会影响β off ；一般，当门极负电流上升 率一定时，关断增益随可关断阳极电流的增加而增加；当可 关断阳极电流一定时，关断增益随门极负电流上升率的增加 而减小。
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。 ②下降时间tf对应阳极电流迅速下 降，阳极电压不断上升和门极反电 压开始建立的过程，此时GTO中心 结开始退出饱和，继续从门极抽出 载流子。关断损耗最大，瞬时功率 与尖峰电压VP有关，过大的瞬时功 耗会使GTO出现二次击穿现象。使 用中应尽量减小缓冲电路的杂散电 感，选择内感小的二极管和电容等 元件。
三、主要参数
1．最大可关断阳极电流IATO
I ATO
2 I GM (1 2 ) 1
GTO阳极电流受温度和电流的双重影响，温度高、电流大 时， α1 +α2 略大于1的条件可能被破坏，使器件饱和深度加深， 导致门极关断失效。 IATO还和工作频率、再加电压、阳极电 压上升率dv/dt、门极负电流的波形和电路参数变化有关。 2．关断增益β
四、GTO的失效原理：
GTO失效是由于某一GTO元过电流损 坏引起。一般，容易导通的GTO，难于 关断；难导通的，则易关断。 大容量GTO防止失效，则工艺要求严格， 如大面积扩散工艺，提高少子寿命的均 匀性。目前：6000A/6000V水平。
1.3 可关断晶闸管(GTO)、1.4 电力晶体管(GTR)
tr存在原因
发射结进入正偏，此后，正偏不断增大， iC不断上升，BJT接近或进入饱和区。IB1 一方面继续给发射结和集电结势垒电容充 电，另一方面使基区的电荷积累增加，并 且还补充基区复合所消耗的载流子，这就 存在着上升时间tr。
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。 目 前 ， GTO 的 容 量 水 平 达 6000A/6000V 、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 DATASHEET
1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理
tf存在原因
当Ui变为负值，基极电流变为IB2，但iC不 立即变小，而是当基区的电荷减少一定程 度，IC才开始下降，所以存在存储时间ts。 当发射结由正偏变为反偏，集电结和发射 结电荷区变宽，iC下降较快，这就有下降 时间tf。
结构：
与普通晶闸管的相同 点：
－PNPN四层半导体结
构，外部引出阳极、
a)
阴极和门极。
和普通晶闸管的不同 点：
－ GTO 是 一 种 多 元 的 功率集成器件。
GK
GK G
N2
P2 N2
N1
P1 A
b)
图1-13
C）
d）
e）
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断 面示意图 c) 管的结构 d)等效电路 e) 电气图形符号
电力电子半导体器件GTO课件 (一)
电力电子半导体器件GTO课件 (一)电力电子半导体器件GTO课件电力电子是一门学科，它旨在控制电力，使其尽可能地适应各种用途。
电力电子半导体器件GTO（Gate Turn-Off thyristor）是电力电子领域比较重要的器件之一，本文将从以下几点介绍电力电子半导体器件GTO课件。
一、GTO器件的概念及特点GTO器件是一种可控硅器件，其结构与普通的可控硅类似，但是比普通可控硅多了一个开关功能。
当把GTO的控制端关闭时，它就可以从导通状态转换到截止状态，从而达到开关的作用。
GTO器件具有结构简单、灵敏度高、操作方便等特点。
二、GTO器件的工作原理GTO器件是一种双向导通的器件，它有两个工作模式：正向导通和反向导通。
正向导通时，控制端导通，主电路中的正向电流可以通过GTO器件流过，从而实现GTO器件的导通；反向导通时，主电路中的电流方向与正向导通时相反，控制端不导通，从而实现GTO器件断路。
GTO器件的工作原理可用三角形结表示。
三、GTO器件的应用领域GTO器件广泛应用于各种电力系统和电路中，包括电机控制、电源调节、换流器、逆变器甚至具有高电压和高功率的应用。
其中，逆变器是GTO 器件比较重要的应用领域之一，它可以将直流电源转换为交流电源，使得它可以更好的适应一些需要交流电源工作的设备。
四、GTO器件的发展历程和趋势GTO器件自1960年发明以来，不断得到完善和改进。
在20世纪80年代，IGBT逆变器逐渐替代了GTO逆变器，但GTO器件的低损耗、高晶体质量和低控制成本等特点，使得它仍然保持了一定的市场份额。
未来，随着新技术的发展，GTO器件仍将有进一步的发展和拓展。
总之，在电力电子领域，GTO器件是一种广泛应用的器件之一，具有灵敏、高效、质量好等特点，大力推广与广泛应用将对促进电力电子技术的发展起到积极的作用。
GTO的基本结构和工作原理
门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。
处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO 由通态转入断态。
由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。
这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。
因此，GTO是一种比较理想的大功率开关器件。
一、结构与工作原理1、结构GTO是一种PNPN4层结构的半导体器件，其结构、等效电路及图形符号示于图1中。
图1中A、G和K分别表示GTO 的阳极、门极和阴极。
α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数，图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。
通常α1比α2小，即P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1晶体管灵敏。
GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1，器件处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
普通晶闸管SCR也是PNPN4层结构，外部引出阳极、门极和阴极，构成一个单元器件。
GTO称为GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起。
与SCR 不同，GTO是一种多元的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
GTO的开通和关断过程与每一个GTO元密切相关，但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。
2、开通原理由图1（b）所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通，其具体过程如图2所示。
显然这是一个正反馈过程。
当流入的门极电流I G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时，α1和α2增加。
四种典型全控型器件比较
《中国 电力 百科全书》
《电工 技术 》
《电力 电子 交流技术》
《中国 集成 电路 》
《现代 电力 电子技术基础》
U
G
U
90
GE
U
GEM
U
10
GE
0
I
C
I CM
t
通一致性好， 故要求 GTO门极正向驱动电流的前沿必须有足够的幅度和陡度， 正脉 冲的后沿陡度应平缓。
2）反向关断电流﹣ i G。为了缩短关断时间与减少关断损耗，要求关断门极电 流前沿尽可能陡， 而且持续时间要超过 GTO的尾部时间。 还要求关断门极电流脉冲 的后沿陡度应尽量小。 GTO的驱动电路：
近 1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。
多元集
成结构， 使得 P2 基区横向电阻很小， 能从门极抽出较大电流。 下图为工作原理图。
2222 A
IA PNP
V1
G IG
Ic1
I c2
R
NPN V 2
S
EA
EG
IK
K
b)
2、电力晶体管 (GTR) 1）电力晶体管的结构：
3
内部结构
管（ Giant Transistor—GTR）和电力场效应晶体管（ Power MOSFET ）的优点，具
有良好的特性，应用领域很广泛。缺 点 ：开 关 速 度 低 于 MOSFET ，电 压 ，电
流 容 量 不 及 GTO 。
2010 年，中国科学院微电子研究所成功研制国内首款可产业化
IGBT 芯
② 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电， 以保证栅极控制电压 uGE 有足够陡 的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外， IGBT 开通后，栅极驱动源应能提 供足够的功率，使 IGBT 不退出饱和而损坏。
GTO驱动电路
门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电力电子器件驱动电路简介电力电子器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接口，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。
驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；又要提供关断控制信号。
门极可关断晶闸管简称GTO, 是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件，它的容量仅次于普通晶闸管，它应用的关键技术之一是其门极驱动电路的设计。
门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，而门极关断技术应特别予以重视。
门极可关断晶闸管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。
驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不高。
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。
用理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提高开关速度，减少开关损耗。
GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很大幅度的负脉冲电流使其关断。
因此全控器件GTO的驱动器比半控型SCR复杂。
门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, 而且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, 工作频率、最大重复可控阳极电流等一系列重要指标。
门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。
GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流比普通晶闸管大得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要大大加宽。
此外, 普通晶闸管的通态压降比较小,当其一旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降, 门极通常仍需保持一定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗比普通品闸管的触发电路要大的多。
可关断晶闸管(gto)触发驱动和保护电路的研究
可关断晶闸管(gto)触发驱动和保护电路的研究摘要：可关断晶闸管(GTO)是一种重要的功率半导体器件，被广泛应用于电力电子领域。
然而，GTO的触发驱动和保护电路的设计与实现是一个非常复杂的问题。
本文旨在研究可关断晶闸管的触发驱动和保护电路，提出一些新的解决方案，以改善GTO的性能和可靠性。
正文：一、GTO的触发驱动电路在GTO的工作过程中，触发驱动电路起着关键的作用。
一个好的驱动电路可以保证GTO可靠地开关，并且在关闭时可以控制漏电流。
因此，我们需要设计一种高效、精确、可靠的GTO触发驱动电路。
以下是一些常见的GTO触发驱动电路：1.电压控制触发驱动电路电压控制触发驱动电路是一种常用的GTO触发驱动电路。
它的原理是通过一个信号发生器来产生一个控制信号，然后将这个信号输入到GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。
电压控制触发驱动电路的优点是简单，易于实现，但是它的精度和稳定性不如其他触发驱动电路。
2.电流控制触发驱动电路电流控制触发驱动电路是一种比较精确和可靠的GTO触发驱动电路。
它的原理是将一个电流信号送入GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。
电流控制触发驱动电路的优点是精确、可靠，但是它的实现复杂，需要使用高精度的电流源和电流传感器。
3.光耦隔离触发驱动电路光耦隔离触发驱动电路是一种可靠、安全且精确的GTO触发驱动电路。
它的原理是使用一个光耦隔离器将控制信号隔离开，并将隔离后的信号送入GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。
光耦隔离触发驱动电路的优点是精确、可靠、安全，但是它的成本较高。
二、GTO的保护电路GTO在工作过程中，常常会受到各种各样的干扰和故障，如过电压、过电流、电磁干扰等。
因此，我们需要设计一种可靠的保护电路来保护GTO的正常工作。
以下是一些常见的GTO保护电路：1.过电压保护电路过电压保护电路是一种常见的GTO保护电路。
它的原理是使用一个电压传感器来检测GTO的电压，一旦电压超过设定值，就会触发一个保护电路，将GTO断开以保护它的安全。
gto晶闸管符号
GTO（Gate Turn-Off Thyristor）晶闸管是一种四层三端半导体器件，具有较大的关断增益和较高的工作频率。
在电路图中，GTO晶闸管的符号通常是一个长方形的图形，其中包含三个电极：阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。
在符号中，阳极A通常用实线表示，位于长方形的一侧；阴极K用虚线表示，位于长方形的另一侧；门极G则用点划线表示，位于长方形的中间。
此外，在某些电路图中，为了区分不同的半导体器件，会在符号上加上一些特殊的标记或注释，例如在门极G附近标注“GTO”或类似的标记。
需要注意的是，不同的电路图可能会采用不同的符号来表示GTO晶闸管，因此最好根据具体情况进行判断和识别。
同时，由于电路图的符号标准可能存在差异，因此在进行电路分析和设计时，需要参考相关的标准和规范。
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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
工作于临界饱和状态，
使关断成为可能。
③多元集成结构，由数
百个小GTO元
元元
元并联形成。由于GTO的多元结构，开通和关断过程与SCR不同，同时GTO
元的特性又不同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关
用中应尽量减小缓冲电路的杂散电
感，选择内感小的二极管和电容等
元件。③尾部时间tt是指从阳极电流降到极小值开始，到最终达到维
持电流为止的时间，这段时间内仍有残存的载流子被抽出，但
阳极电压已建立，因此容易由于过高的重加电压dv/dt使GTO关
断失效。应设计合适的缓冲电路。一般，尾部时间会随存储时
间内过大的门极反向电流上升率dIGR/dt
增大而延长。
④门极动态特性：门极负电压、负电流波形。
门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。门极负电流的最大值随阳极可关断电流的增大而增大。
门极负电流的增长速度与门极所加的负电压及门极参数有关。
如果门极电路中有较大的电感，会使门极-阴极结进入雪崩状
1．开通特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。延迟时间上升时间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。2．关断特性：
说明：
①存储时间ts内，GTO导通区不断
持导通时的数值。因为若GTO在阳极电流纹波较大的情况下工
作时，当电流瞬时值到达最低时，因GTO元间电流分布不均匀，
以及维持电流值的差异，其中部分GTO元因电流小于其维持电
流值而截止，则在阳极电流回复到较高值时，已截止的GTO元
不能再导电，于是导电的GTO元的电流密度增大，出现不正常
工作状态。工作状态。
8．擎住电流
GTO经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的
最低值即擎住电流值。
擎住电流最大的GTO元影响最大。当门极电流脉冲宽度不足
时，门极脉冲电流下降沿越陡，GTO的擎住电流值将增大。9．开通时间：ton为滞后时间td和上升时间tr之和。随通态平均电流值的增大而增大1~2us
轻则出现iA的增大过程。
如果能使门极驱动负脉冲电压幅值缓慢衰减，门极保持适当
负电压，可缩短尾部时间。
四、GTO的失效原理：四、GTO的失效原理：
GTO失效是由于某一GTO元过电流损
坏引起。一般，容易导通的GTO，难于
关断；难导通的，则易关断。
大容量GTO防止失效，则工艺要求严格，
断损耗尤为突出。
关断条件：α1+
α2<1ATOGMII2
211
)(
α
αα?
+
>?被关断的最大阳极电流电流关断增益：GM
ATO
offI
I
?
=
β一般：3~8③尾部阶段：tt此时，VAK上升，如果dv/dt较大，可能有位移电流通过P2N1结，引起等效晶体管的正反馈过程，严重会造成GTO再次导通，
被压缩，但总电流几乎不变。
②下降时间tf对应阳极电流迅速下
降，阳极电压不断上升和门极反电
压开始建立的过程，此时GTO中心压开始建立的过程，此时GTO中心
结开始退出饱和，继续从门极抽出
载流子。关断损耗最大，瞬时功率
与尖峰电压VP有关，过大的瞬时功
耗会使GTO出现二次击穿现象。使
过程产生了一系列新的问题。
二、GTO开通原理：
与SCR一样，由正反馈控制过程来实现。
其中：
开通条件：α1+
α2 > 1
定义：α1+
α2 = 1时，对应的阳极电流为临界导通电流。
——擎住电流由于α1、α2随射极电流增大而上升，当阳极电流未达到擎
住电流时，α1+
α2<1，此时去掉门极电流IG，阳极电流也会消
流的能力，是选定快速熔断器的依据。
6．断态不重复峰值电压
当器件阳极电压超过此值时，则不需要门极触发即转折导
通，断态不重复峰值电压随转折次数增大而下降。一般只有其
中个别几个GTO元首先转折，阳极电流集中，局部电流过高而
损坏。7．维持电流
GTO的维持电流指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维
第六章可关断晶闸管（GTO）特点：是SCR的一种派生器件；具有SCR的全部优点，耐压高、
电流大、耐浪涌能力强，造价便宜；为全控型器件，工作频率
高，控制功率小，线路简单，使用方便。§6.1 GTO结构及工作原理Gate Turn-off Thyristor——GTO
一、结构：四层PNPN结构，三端器件；
如大面积扩散工艺，提高少子寿命的均
匀性。目前：6000A/6000V水平。五、GTO类型：
逆阻GTO：可承受正反向电压，但正向导通压降高，快速性
能差。
阳极短路GTO：无反压GTO，不能承受反向电压，但正向导
通压降低，快速性能好，热稳定性好。
其他类型GTO：其他类型GTO：
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。
主要作用：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。
2．缓冲电容CS：由
dv/dt估算dtdi
V
LE
A=dt
dv
I
CA
S=L3
．缓冲电阻RS：阻尼LA与CS形成谐振
GTO开关频率为f 时, 电阻功率：
4．阻尼电阻RA：选定阻尼系数时：
一般RA<RS，S
A
SC
L
R2≥S
A
AC
L
态，阴极产生反向电流，雪崩时间tBR。应用中，防止雪崩电
流过大损坏门极-阴极，或不使门极-阴极产生雪崩现象，保证
门极反向电压不超过门极雪崩电压VGR。门极信号线要双绞线。三、主要参数
1．最大可关断阳极电流IATOGM
ATOII
1)(2
1
2?
+
=α
α
αGTO
③驱动电路正向门极触发电流脉冲上升沿越陡，GTO元阳极电
流滞后时间越短，可加速GTO元阳极导电面积扩展，缩短开通
时间。三、GTO关断原理：如图关断等效电路
关断过程分为三个阶段：
存储时间阶段：ts下降阶段：
tf尾部阶段：tt①存储时间阶段：ts用门极负脉冲电压抽出P2基区的存储电荷阶段。
（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。（4）引入缓冲电路可以提高GTO关断能力。二、缓冲电路的工作原理
如图：GTO直流斩波器电路阻尼电阻三、缓冲电路参数估算及安装工艺
（一）电路参数估算
1．缓冲电感LA：由
di/dt估算
影响GTO导通的主要因素有；阳极电压、阳极电流、温度
和开通控制信号的波形。阳极电压越高，GTO越容易导通．阳
极电流较大时易于维持大面积饱和导通。温度低触发困难，温极电流较大时易于维持大面积饱和导通。温度低触发困难，温
度高容易触发。
影响GTO关断的主要因素有：被关断的阳极电流，负载阻
Rξ2
1
=（二）安装工艺及元件类型选择
1．缓冲电路必须尽量靠近GTO的阳极和阴极接线端安装，应最
大限度地缩短连接导线．一般不应超过10cm，以减小分布电
感和其他不良影响。
2．二极管VDS应选用快速导通和快速恢复二极管。