1.2门极可关断晶闸管GTO 4.2 大功率晶体管GTR

不可控器件
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路，电力二极管等。
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1.2.1 门极可关断晶闸管(GTO)
可关断晶闸管GTO亦称门控晶闸管。其主要特点 为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。
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普通晶闸管靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能 维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低 于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增 加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低 效率，产生波形失真和噪声。
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
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1.
GTR的极限参数
(1)．集电极最大电流ICM(最大电流额定值)
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图中GTO为主开关，控制GTO导通与关断可使脉冲变压器TR
次级产生瞬时高压，使汽油机火花塞电极间隙产生火花。
在晶体管V的基极输入脉冲电压，低电平时，V截止，电源对 电容C充电，LC组成的谐振电路发生谐振，产生高压触发GTO。
高电平时，晶体管
R ＋12 V 1 .5
TR
点火 点 火线 圈
V导通，电容C通过V对
U CEM 一 次击 穿 功 率曲 线 IC I CM P SB 二 次击 穿 功 率曲 线
SOA区
P CM
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U CE
3.
GTR的基极驱动电路及其保护电路
GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控
(1)． 基极驱动电路
制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。 基极驱动电流的各项参数直接影响GTR的开关性能， 因此根据主电路的需要正确选择和设计GTR的驱动电 路是非常重要的。一般来说，我们希望基极驱动电路
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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 | I GM |
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
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4. GTO的门极驱动电路
用门极正脉冲可使GTO开通，门极负脉冲 可以使其关断， 这是GTO最大的优点，但使 GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电 流的1/5左右，因此GTO的门极需要驱动电路来 提供足够的关断功率。尽管采用高幅值的窄脉 冲可以减少关断所需的能量，但还是要采用专 门的触发驱动电路。
地放电，并将其电压加
L
2 mH C 0 .5 F V C1 0 .5 F GTO
于GTO门极，使GTO迅速、
可靠地关断。
用电感、电容关断GTO的点火电路
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1.2.2 大功率晶体管（GTR）
大功率晶体管又称电力晶体管, 简称GTR，通常指
耗散功率（或输出功率） 1 W以上的晶体管。
GTR属于第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管
增益。
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3． 掣住电流IL 与普通晶闸管定义一样， IL 是指门极加触发信 号后，阳极大面积饱和导通时的临界电流。 GTO由 于工艺结构特殊，其 IL要比普通晶闸管大得多，因 而在电感性负载时必须有足够的触发脉冲宽度。 GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型， 在使用时要特别注意。
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表4-1
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常用的三种门极驱动电路
＋E C ＋E C L V1 GTO V2 C V1 V2 V1 V D1 V3 UI V4 V4 V3 L ＋E C V2 R VD V GTO GTO
(a )
(b )
(c )
(a) 小容量GTO门极驱动电路； (b) 桥式驱动电路； (c) 大容量GTO门极驱动电路
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(2)． 安全工作区
安全工作区SOA是指在输出特性曲线图上GTR能够
安全运行的电流、电压的极限范围，如图。 二次击穿
电压USB与二次击穿电流ISB组成的二次击穿功率 PSB如图
中虚线所示，它是一个不等功率曲线。
为了防止二次击穿，要 选用足够大功率的管子，实 际使用的最高电压通常要比 管子的极限电压低得多。 图 中阴影部分即为SOA。
直流负载线
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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。
N1 G
A
+
P1 N1 P2
A IA V1 PNP Ic2 Ic1 NPN V2 IK K
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接近临界饱和导通状态。
导通后的管压降比较大， 一般为2～3 V。
+ Ug
P2 N2
UAKIG G
S
R
EA
-
K
EG
GTO的关断条件是：门极加负脉冲信号。当GTO的 门极加负脉冲信号时，门极将出现反向电流。
此反向电流将GTO的门极电流抽出，使其电流减小， α1 和 α2 也同时下降，以致无法维持正反馈，从而使 GTO关断。因此，GTO采取了特殊工艺，使管子导通后 处于临界饱和状态。
当IC上升到A点（临界值）时，UCE 突然下降，而 IC 继续增大（负阻 效应），这时进入低压大电流段， 直到管子被烧坏，这个现象称为 二次击穿。
IB ＞ 0 IC 二 次击 穿
二次击穿
(U SB , I SB ) A
一次击穿
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BUCEO
U CE
IC
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 乘积为： P =U I SB SB SB
二 次击 穿
二次击穿
(U SB , I SB ) A
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 临界功率PSB往往还小于PCM，但仍然能使GTR损坏。二次击穿的
时间在微秒甚至纳秒数量级内，在这样短的时间内如果不采取
1.2 全控型电力电子器件
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门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不 久出现，20世纪80年代以来，信息电子技术与 电力电子技术在各自发展的基础上相结合—— 高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电 力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一 个崭新时代
典型代表——门极可关断晶闸管（GTO）、
电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管
GTO克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压
高、电流大等优点，同时具有自关断能力，使用方便，
是理想的高压、大电流开关器件。
GTO广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领 域。
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GTO属于晶闸管的一种派生器件。
它又具有门极正脉冲触发导通、 门极负脉冲触发关断的特性，因内 部有电子和空穴两种载流子参与导 电，所以它属于全控型双极型器件。 主要应用于兆瓦级以上的大功率场 合。 GTO的符号如图，与普通晶闸 管一样，有阳极A、 阴极K和门极G 三个电极。
当基极开路时，集—射极间能承受的最高电压。
当GTR的电压超过某一定值时，管子性能会发生 缓慢、不可恢复的变化，这些微小变化逐渐积累， 最后导致管子性能显著变坏。因此，实际管子的最
大工作电压应比反向击穿电压低得多。
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(4)． 最高结温TjM
GTR的最高结温与半导体材料的性质、器件制造
工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管的 TjM 为125℃～150℃，金封硅管的 TjM 为150℃～170℃， 高可靠平面管的TjM为175℃～200℃。
5. GTO的典型应用（P12）
GTO主要用于高电压、大功率的斩波电路、逆变器 等。另一类GTO的典型应用是调频调压电源，这种电源 多用于风机，水泵、轧机、等交流变频调速系统中。
电路中，例如恒压恒频电源、常用的不停电电源（UPS）
另外，由于GTO的耐压高、电流大、开关速度快、 控制电路简单方便，因此还特别适用于汽油机点火系 统。
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。
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图4-5 1300系列GTR的外观
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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；
使GTR的平均寿命下降。实践表明，工作温度每增
加20℃，平均寿命差不多下降一个数量级，有时会
因温度过高而使GTO迅速损坏。
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(3)． GTR的反向击穿电压
(1) 集电极与基极之间的反向击穿电压 UCBO：当
发射极开路时，集—基极间能承受的最高电压。
(2) 集电极与发射极之间的反向击穿电压 UCEO：
国产50A GTO参数
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门极可关断晶闸管GTO的主要特点：
电流控制开通和关断，但反向关断的
触发电流比较大；
饱和压降中等；
开关速度中等；
能控制的电流、电压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ大；
现今额定电流电压为6KA/6KV的GTO已
在10MVA以上的大型电力电子变换装置
中得到应用；
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3. GTO的缓冲电路
GTO设臵缓冲电路的目的是： (1) 减轻GTO在开关过程中的功耗。 具体做法是通过设臵缓冲电路抑制GTO在开通 时的电流上升率以及关断时的电压上升率。 (2) 抑制静态电压上升率，过高的电压上 升率会使GTO因位移电流产生误导通。
有效保护措施，就会使GTR内出现明显的电流集中和过热点， 轻者使器件耐压降低，特性变差；重者使集电结和发射结熔通， 造成GTR永久性损坏。由于管子的材料、工艺等因素的分散性， 二次击穿难以计算和预测。
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GTR发生二次击穿损坏是它在使用中最大的
弱点。但要发生二次击穿，必须同时具备三个条
件：高电压、大电流和持续时间。因此，集电极 电压、电流、负载性质、驱动脉冲宽度与驱动电 路配臵等因素都对二次击穿造成一定的影响。一 般说来，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二 次击穿现象的。
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2.
二次击穿和安全工作区
(1)． 二次击穿
处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最 大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，但此时集电结的电压基 本保持不变，这叫一次击穿。 发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流IC的，一般不会 引起GTR的特性变坏。如果继续增大UCE，又不限制IC的增长，则
A 由于普通晶闸管导通时处于 A IA
P1
深度饱和状态，用门极抽出电流
T1
ic 1
P2
N1 P2
ic 2
N1
无法使其关断，而GTO处于临界饱 G
G 和状态，因此可用门极负脉冲信
ib 2
T2
N2
-I g
号破坏临界状态使其关断。
K
(a)符 号
IC
8
K
(b)关 断 原 理
回顾深度饱和与临界饱和的概念
深度饱和 临界饱和
（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。
一般将电流放大倍数 β 下降到额定值的1/2～
1/3 时集电极电流 IC 的值定为 ICM 。因此，通常 IC 的 值只能到 ICM 值的一半左右，使用时绝不能让 IC值达 到ICM，否则GTR的性能将变坏。
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(2)． 集电极最大耗散功率PCM
PCM 即GTR在最高集电结温度时所对应的耗散功
率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘 积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中 要特别注意GTR的散热。如果散热条件不好，会促
A ＋ G
K
GTO的符号
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1.
GTO的基本工作原理
GTO的工作原理与普通晶闸管相似，其结构也可以等效看成
是由PNP与NPN两个晶体管组成的反馈电路。两个等效晶体管的 电流放大倍数分别为α1和α2。 GTO触发导通的条件是：阳极与阴极之间承受正向电压；门
极加正脉冲信号（门极为正， 阴极为负）。
这时， α1+α2＞１， 从而在其内部形成电流正 反馈，使两个等效晶体管
有如下功能：
① 提供全程的正、反向基极电流，以保证GTR可
靠导通与关断
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② 实现主电路与控制电路的隔离。 ③ 具有自动保护功能， 以便在故障发生时快
速自动切除驱动信号， 避免损坏GTR。