第4章 门极可关断晶闸管GTO教材
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。
典型全控型器件ppt
通常规定为hFE 下降到规定值的1/2~1/3时所对应 的Ic
实际使用时要留有裕量，只能用到IcM 的一半或 稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率 产品说明书中给PcM 时同时给出壳温TC ，间接表 示了最高工作温度 。
19
1.4.2
电力晶体管
4. GTR的二次击穿现象与安全工作区
• 按导电沟道可分为P沟道和N沟道
• 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就 存在导电沟道 • 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压 大于（小于）零时才存在导电沟道
13
1.4.2
电力晶体管
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
（1-9）
——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流
的控制能力
当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo 时，ic 和ib 的
关系为
ic= ib +Iceo
（1-10）
产品说明书中通常给直流电流增益hFE——在直流工
1.4.2
电力晶体管
安全工作区（Safe Operating Area——SOA）
• 最高电压UceM 、集电极最大电流IcM 、最大耗散功率
PcM、二次击穿临界线限定。
Ic IcM PSB
SOA
PcM
O
UceM
Uce
图1-18 GTR的安全工作区
21
1.4.3
电力场效应晶体管
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect
• 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：强烈正反馈——门极加负脉冲即 从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的 减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电 流。当 IA 和 IK 的减小使 1+2<1时，器件退出饱和 而关断。 • 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通来自程快， 承受di/dt能力强 。
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
可关断晶闸管
特性
普通单向晶闸管靠控制极信号触发之后，撤掉信号也能维持导通。欲使其关断，必须切断电源或施以反向电 压强行关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积、质量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声， 可关断晶闸管克服了上述缺陷。
当可关断晶闸管阳极和阴极间加正向电压且低于正向转折电压时，若门极无正向电压，则管子不会导通；若 门极加正向电压，则管子被触发导通，导通后的管压降比较大，一般为2～3V。
(2)检测注意事项。检测大功率可关断晶闸管时，可在R×1Ω挡外面串联一节1.5V电池（与表内电池极性顺 向串联），以提高测试电压，使可关断晶闸管触发导通。
3．可关断晶闸管关断能力判别
尽管可关断晶闸管与普通单向晶闸管的触发导通原理相同，但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由 于普通单向晶闸管在导通之后即处于深度饱和状态，而可关断晶闸管在导通后只能达到临界饱和状态。所以，在 可关断晶闸管的门极上加负向触发信号后，通态电流开始下降，使管子不能维持内部电流的正反馈。
由于可关断晶闸管关断时，可在阳极电流下降的同时升高施加的电压（不像普通单向晶闸管关断时在阳极电 流等于零后才能施加电压），因此，可关断晶闸管关断期间功耗较大。另外，因为可关断晶闸管导通压降较大 (2～3V)，门极触发电流较大（20mA左右），所以可关断晶闸管的导通功耗与门极功耗均较普通单向晶闸管 大。
判别电极时，将万用表置R×1Ω挡，检测任意两脚间电阻值。黑表笔接G极、红表笔接K极时为低电阻值，其 他情况下电阻值均为无穷大，由此可判定G极、K极，余下为A极。
2．可关断晶闸管触发导通能力判别
(1)触发导通能力的检测方法。判断可关断晶闸管触发导通能力时，将万用表置R×1Ω挡，黑表笔接A极，红 表笔接K极，测得电阻值为无穷大。同时用黑表笔接触G极（加上正向触发信号），表针向右偏转到低电阻值，说 明晶闸管已导通。黑表笔笔尖离开G极，晶闸管仍维持导通，说明被测管具有触发导通能力。
门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（GTO）：GT0是目前阻断电压最高和通态电流最大的全控制器件。
既保留了普通晶闸管耐高压、电流大等优点，以具有自关断电能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。
缺点：是驱动电路复杂并且驱动功率大，导致关断时间长，限制了器件的开关频率；关断过程中的集肤效应用以导致局部过热，严重情况下使器件失效；为了限制dv/dt，需要复杂的缓冲电路GTO主要应用于在中、大功率场合。
绝缘栅双极晶体管(IGBT): IGBT 是后起之秀，集MOSFET和GRT的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高，开关速度快的优点，又具有GTR 耐压高、通过电流大的有点，是目前中等功率电压电子装置中的主流器件。
栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小、工作频率高，不需要缓冲电路，适合于较高频率的场合。
主要缺点是高压IGBT内阻大，通态电压高，导致通阻损耗大；在应用于（中）压领域时，通常多个串联。
IGCT是在GTO的基础上发展起来的新型复合器件，兼有MOSFET和GTO两者的优点，有克服了两者的不足之处，是一种较为理想的MW级高（中）压开关器件。
降压转换器：开关稳定电流和直流电机调速。
升压型变换器：直流稳压电流和直流电机的再生制动。
升降压变形转换器：应用于需要相对输入电压的公共端为负极性，可高于or低于输入电压的直流稳态电流。
集成门极换流晶闸管（IGCT）:IGCT是在克服GTO关断能力差，重复关断较大电流时容易产生局部过热损坏等缺点而发展起来的。
太阳能发电三种连接方式：工频变压方式，高频连接方式，无受压器方式。
大功率点跟踪：在光伏发电系统中，使太阳电池的输出处于最大功率点也就是控制变换器的输入电压工作在最大功率点电压上而最大功率点电压指令是随光强和吻遍变化调节的。
柔性电力电子：电力系统柔性化的必要性，电力系统的需求特点：可控性好，潮流可控，模式多样、质量可控的配电系统，调节性好、高效节能的用电系统。
直流输电的特点缺点：换流设备较昂贵；消耗无功功率多；产生谐波影响；换流器过载能力低；某些运行方式下对地下或海中物体产生电磁干扰和电化学腐蚀；缺乏直流开关；不能用变压器来改变电压等级直流输电的优点：线路造价低；输电损耗小；输送容量达；限制短路电流；线路故障时的自防护能力强；节省线路走廊；实现非同步电网互联；功率调节控制灵活；特别是和电缆输电。
晶闸管教材 ppt课件
1.认识晶闸管的符号 2.了解晶闸管的特性 3.理解晶闸管的运用
2021/2/5
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复习 二极管
二极管图形符号：
箭头方向表示二 极管正向导通时
电流的方向
用逆止水阀门比喻二极管示意图 （a）正向水流顶开阀门 （b）反向水流压紧阀门
文字符号：VD
2021/2/5
在0.3～0.9之间。 单结晶体管的导通条件是：
单结晶体管等 效电路
UE﹥η UBB + UD (UD为PN结的正向压降)
结论：只要改变UE的大小，就可以控制单结晶体管 的导通与截至。从而获得从RB1输出的脉冲电压。
2021/2/5
22
补充学习二
单结晶体管触发电路
2021/2/5
18
1.5.5 晶闸管的使用注意事项
1、选用晶闸管的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电 压的大小，并留出一定的余量。
2、选用晶闸管的额定流时，除了考虑通过元件的平均电流外， 还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作 中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。
15
1.5.4 晶闸管的主要技术参数
1．正向峰值电压（断态重复峰值电压）UDRM 在门控极断路、晶闸管处在正向阻断状态下，且管子
结温为额定值时，允许“重复”加在晶闸管上的正向峰
值电压。而所谓的“重复”是指这个大小的电压重复施
加时晶闸管不会损坏。此参数取正向转折电压的80％，
即UDRM＝0.8 UDSM。普通晶闸管的UDRM的规格从100V到 3000V 分 多 挡 ， 其 中 100V~1000V 每 100V 一 挡 ；
从导通 到关断
1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流
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
可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor, GTO)
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。
第4章 门极可关断晶闸管GTO教材
++
-
13V
C 10 C9
+
C14 VT10
R22
VT11
R23
图4.6 门极驱动电路实例2
4.4
GTO的驱动电路
2.门极驱动电路实例2
在导通控制电路中，
光电隔离
整形
放大
+5V
采用光电耦合器D1的 作用是防止前级电路与 GTO门极电路相互干 扰，并实现不同电平的 转换。
D1 C1 + C2 + RP1
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
4.1
GTO的结构和工作原理
➢ 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、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， 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO 元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。
RP2 VT6 R17
R 13
C 12 R14
R20 C13
VD5 R16
R15
R1
VT9 VT8
R 21
++
-
13V
C 0
R22
VT11
R23
成的放大级送至GTO
图4.7 门极驱动电路实例2
门极，从而控制 GTO
的导通与关断。
该电路可以驱动500A /1200V的GTO，用于三 相PWM控制的GTO逆变器。
第4章
门极可关断晶闸管（GTO）
4.1 GTO的结构和工作原理 4.2 GTO的动态特性 4.4 GTO的主要参数 4.4 GTO的驱动
4.1
GTO的结构和工作原理
电力电子技术课件及教学1.4和1.5
• 第1章 电力电子器件 • 1.4 门极可关断晶闸管(GTO) • 1.5 电力晶体管（GTR）
教学目标
• 1.4 门极可关断晶闸管(GTO) • 与普通晶闸管相比较熟记GTO的电路符号、了解GTO结构、工
作原理及电压电流伏安特性曲线； • 能说出GTO 所特有的基本参数 • 能说出GTO开通、关断的要求，知道GTO控制部分与主电路间
• 1．最大阳极可关断电流IATO • IATO通常作为GTO的额定电流。它除受结温限制外，还与门极关断能
力有关。若阳极电流过大，器件饱和程度较深，将对门极关断带来困 难。在实际应用中，门极电路及电路运行状态对这一参数会有影响。 • 2．关断增益βoff • βoff定义为最大阳极可关断电流与门极最大负电流之比。GTO关断增益 较低，一般为5左右，这使得驱动电路的功耗较大。
• GTO正向导通后．其通态压降随电流的增加而上升，上升 趋势比普通晶闸管明显，故在相同工作条件下，GTO的导 通功耗大于普通晶闸管。GTO的正向耐压能力与结温和门 极状态有关。结温越高，耐压值越低。实验证明，当GTO 的门极施加-5V的电压时，器件正向耐压值最高。
1.4.3 基本参数
• GTO的许多参数与普通晶闸管类似，如正、反向阻断电压，浪涌电流， 门极驱动电压，电流等。这里主要介绍GTO特有的参数。
1.4.4 GTO的驱动
• GTO的驱动电路是应用GTO的重要环节，它直接影响 GTO的性能以及GTO的安全运行。GTO开通时要求门极 正向触发电流必须足够大，电流脉冲前沿尽可能陡，电流 脉冲有足够的宽度，以提高GTO的开通速度，降低开通损 耗，保证器件可靠导通。GTO关断时门极驱动电路需要提 供反向电流。较大的反向电流脉冲上升率会减少GTO的关 断时间，降低关断功耗，但同时也会降低关断增益。门极 关断电压的持续时间应大于电压GTO的关断时间，以保证 GTO可靠关断。在器件正向阻断期间，门极电路应提供负 向偏压以提高器件反向耐压能力。
浅谈门极可关断GTO晶闸管的硬驱动技术
浅谈门极可关断!"#$%晶闸管的&硬驱动’技术西安石油学院李宏摘要(文章介绍了门极可关断"#$晶闸管的&硬驱动’技术之优点)分析了&硬驱动’技术作用下"#$晶闸管的工作特点)剖析了&硬驱动’条件下"#$的关断波形)给出了&硬驱动’门极电路的典型结构*关键词("#$晶闸管硬驱动门极电路+,-.-/01234/025678095/5:;126<29=->-8?/5,5@3:52A >B >?329C 052D E F G H IJ K C 02180(#L M N O P N H Q N I M G R L N S OO S E P M Q M T L H G U G I V R G S "#$Q L V S E W Q G S E W O E W T X W W M OE HQ L E W Y N Y M S Z [G Q G H U V Q L M "#$Q L V S E W Q G S \W ]G S ^E H I Y N S Q E T X U N S E Q V X H O M S Q L M L N S O O S E P M Q M T L H G U G I V _X Q N U W G Q L M Q X S H G R R ]N P M W W L N Y M G R "#$Q L V S E W Q G S X H O M S Q L M L N S O O S E P M T G H O E Q E G H N S M N H N U V W M O Z ‘X S Q L M S Q L M Q V Y E T N U W Q S X T Q X S M G R L N S O O S E P M I N Q M T E S T X E Q E W N U a W GI E P M HZ b -3c 526C ("#$Q L V S E W Q G S L N S OO S E P M I N Q M T E S T X E Qd 引言门极可关断"#$晶闸管是如今人类可以使用的容量仅次于普通晶闸管的电力半导体器件)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"#$晶闸管的损坏)门极驱动电路的复杂性)严重制约了"#$晶闸管的大面积应用)其主要原因是过去使用的"#$晶闸管门极驱动电路的下述固有不足所决定*d %应用传统的门极驱动电路驱动"#$晶闸管时)造成大容量"#$晶闸管内部数个并联的小"#$晶闸管开通过程中先是局部几个单元开通)然后等离子体在整个芯片内向边沿扩展*横向扩展使阳极电流上升率限制在Oef Oghij jk fl W 内*最初较高的电流上升率可能使最先导通的区域过载而导致器件损坏)因此必须采用较大的抑制电感来限制电流上升率*m %为获得数值为n oi 的合理关断增益)对于"#$晶闸管响应时间来说只能施加较小的门极电流)从而导致其存储时间过长!约m j l W %)造成关断不同步)O p f O g 耐量低)并需要体积庞大的吸收电容*正是由于这些原因)采用传统&软驱动’技术的"#$晶闸管应用中的最高开关频率一般限制在n j j o i j j F q )同时因门极驱动电路造成串联元件的关断时间不同而难于串联使用*为解决这些棘手的问题)促使了&硬驱动’门极驱动技术的发展)并已证明双极型器件的门极&硬驱动’能够改善其关断特性)使被&硬驱动’的器件开关速度比r$s ‘t #和u "v #的开关速度快得多)损耗也低得多*本文介绍有关&硬驱动’的一些问题*m &硬驱动’门极驱动技术简介m Z d &硬驱动’门极驱动技术的优点所谓"#$晶闸管的&硬驱动’是指在"#$晶闸管关断过程中的短时间内)给其门阴极加以上升率O e "f O g 及幅值都很大的驱动信号)目前&硬驱动’技术已能用于大功率"#$晶闸管的门极驱动)它能向n j j j k "#$晶闸管提供足够的门极关断电流)在O e f O g wn j j j k f l W 的条件下其关断驱动电流x S I ywn j j j k )可将被驱动"#$晶闸管的存储时间降至hm l W zd j j H W *几乎做到了同步开关)从而获得方形安全工作区和器件的无吸收工作)使"#$晶闸管的工作状况几乎可与u "v #相媲美*&硬驱动’技术的优点表现在以下几方面*d %可使被驱动器件的存储时间下降至d l W左右或基本得以消除*驱动多个并联或串联的器件时)可使各器件存储时间的差异h d l W )使"#$晶闸管的各个参数例如最大关断电流将像希望的一样与器件面积成正比)因此无需大的吸收电容或复杂的O e f O g抑制电路及调时电路和O p f O g抑制用吸收电容*j{电气传动m j j d 年第{||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||期!"可使#$%晶闸管器件的关断能力大大超过其额定值&系统设计者可根据应用要求在开通频率和功率控制能力之间加以选择&以达到一种合适的组合’("不受#$%晶闸管的等级和型号的限制&这极大地方便了设备的制作和维护&因为串联电路上的器件无需具备一致的存储时间’可使许多#$%晶闸管开关的应用问题得以解决&同时降低了损耗&改善了性能’!)!*硬驱动+门极技术作用下#$%晶闸管的工作过程分析!)!),关断过程采用-.#/-0高达(1112/34的门极脉冲&#$%晶闸管的存储时间可从!134下降至约,345见图,所示"’应当控制强关断脉冲的幅值&以避免在门阴结中产生雪崩击穿’由于主阻断结空间电荷区扩展形成的位移电流将叠加到阳极电流中&所以门极峰值电流有可能超过阳极电流&但关断增益仍接近于,’门极电流脉宽仅需!34&其能量与普通门极驱动电路相当’图,用硬驱动5粗线"和普通驱动5细线"情况下#$%晶闸管关断波形的比较!)!)!开通过程采用更强的门极驱动脉冲能加快开通过程&开通过程的延迟可从几34下降至几百64&电路所允许的-./-0不再受#$%晶闸管器件本身的限制&而受限于变流器支路中反并联续流二极管的关断速度&即开通过程中变流器支路的电流将由续流二极管换向到#$%晶闸管’这样能降低限流电抗器电路的-./-0&从而使损耗和费用下降’强门极脉冲将使阴极的电子注入非常均匀&在阳极电流增大之前降低#$%晶闸管器件的通态压降&从而减小器件的开通损耗’!)!)(*硬驱动+#$%晶闸管与普通门极驱动#$%晶闸管性能的比较表,列出了标准的(1112/78119#$%晶闸管采用*硬驱动+与常规*软驱动+的性能测试结果’由表,可见&开通损耗下降了:;)<=&与均匀开通的结果一样&而->/-0提高了(倍&最大可关断电流提高了,):<倍&开通延迟时间缩短了;,)<=&开通-./-0增强了:倍&吸收电容减小了?(=&存贮时间缩短了;8=’表,标准#$%晶闸管常规*软驱动+与*硬驱动+的性能比较参数普通门极单元硬驱动门极单元开通-./-052/34"811(111开通损耗@A 65B"()(,开通延迟0-534"():1)(最大关断电流C $#D 52"(1118111开关->/-059/34"811,811关断吸收电容E53F ":,存储时间04534"!1,!)(*硬驱动+条件下#$%晶闸管的关断波形分析图!是普通(1112/78119采用常规门极驱动条件下额定吸收电容为:3F 的#$%52G G 公司的型号为8H #2(1I 781!"晶闸管采用*硬驱动+使关断过程改善后的特性’这时器件很容易关断两倍于额定值的关断电流’图!在J K L,!8M 吸收电容N 4L:3F 时带*硬驱动+的(1112/78119#$%晶闸管关断88112电流的波形(*硬驱动+门极电路的典型结构及分析(),*硬驱动+门极单元的一般结构图(是*硬驱动+门极单元的原理图&要达到高的-./-0需要限制电压&同时必须降低门极和阴极回路中的杂散电感5图(中的O ,和O !"&采用最优设计的门极单元和它与#$%晶闸管的连接接口&有可能使杂散电感降到86P 以下’()!*硬驱动+门极单元的典型电路*硬驱动+门极单元的典型电路如图7所示’它可分成两部分Q 上部分电路控制开通过程&下部分电路控制关断过程&且两部分独立工作’本电路,:电气传动!11,年第:R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R 期设计时应使其电感最小值化!"#为杂散电感$图%&硬驱动’#()晶闸管的门极单元简图图*新型&硬驱动’门极单元简图图+,-./0123334时5硬驱动6和,-./01+334时5软驱动6的开通瞬态实验结果其工作过程可分析如下$%7872开通期间的门极电路在开通期间!电容通过开关9:23放电!在约8+3;<内产生23334的&硬驱动’门极电流$门极电流通过续流二极管维持在高水平!然后通过9:22由+=电源维持$在较大门极电流脉冲作用下!#()晶闸管等效原理电路中;>?>;晶体管5阴极@?基区@衬底6开通!;发射区注入电子!并输送到;基区!同时;产生相应空穴注入$空间电荷区开始崩缩!阳极电压在233;<内下降到A 4B833=$此时!主电流仍很小!这就意味着晶体管作用强于晶闸管作用$图+给出了,-.123334与,-.1+334的#()晶闸管采用+334门极电流进行&硬驱动’与&软驱动’技术的比较!由图+可见采用&硬驱动’时!在延迟时间内阳极电压以83C 8+D =@E <的斜率快速下降到833=!几乎是一个完美的开通瞬态过程$%7878关断期间的门极电路图*所示电路的下部分控制关断过程$电容F 8通过开关9:83吸收数D 4的大电流脉冲!大电流脉冲的上升时间约为27+E <$另外!开关9:82用来维持器件的阻断状态$图G 示出在++334门极峰值电流下,41,(#H 18+334的#()晶闸管之关断波形$存储时间为27+E <!下降时间为2E <!阳极峰值电压为22I 3=5寄生吸收电感所致6$由于门极电路电感低5总计为J #1%G ;K 6以及#()晶闸管门>阴结的雪崩效应!门极电流很快下降到23334$由于采取了特殊措施以保证拖尾期间门极电压总为负值5通过图*中的L %M N 8和O2+=电源来实现6!因此即使是在高结温M 长大拖尾电流工况下!也能保证较低的门极阻抗和足够的负偏压$图G 关断瞬间的实验结果P 阳极电流M 门极电流5Q86及阳极电压与时间的关系*结论#()晶闸管的门极&硬驱动’技术!可以解决#()晶闸管使用中的主要难题之一!为#()晶闸管的大量使用提供保证!4R R 公司应用该技术已生产出容量在233H:以上的电力电子设备!毫无疑问其应用前景十分广阔$参考文献2张立7现代电力电子技术7北京P 北京科学出版社!2S S 88李宏7晶闸管触发器集成电路实用技术大全7西安P 中国电工技术学会电力电子学会M 中国电源学会特种电源专业委员会!2S S S%李宏7电力电子设备常用电力半导体器件和模块使用技术7中国电工技术学会电力电子学会M 中国电源学会特种电源专业委员会!2S S S*西安电力电子研究所编7最新功率器件专辑7西安P 西安电力电子研究所!2S S S收稿日期P 8332>3+>2I8G 电气传动8332年第G T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T 期浅谈门极可关断(GTO)晶闸管的"硬驱动"技术作者：李宏作者单位：西安石油学院刊名：电气传动英文刊名：ELECTRIC DRIVE年，卷(期)：2001，31(6)被引用次数：2次1.张立现代电力电子技术 19922.李宏晶闸管触发器集成电路实用技术大全 19993.李宏电力电子设备常用电力半导体器件和模块使用技术 19994.西安电力电子研究所最新功率器件专辑 19991.会议论文李宏.于苏华浅谈门极可关断(GTO)晶闸管的“硬驱动”技术2001本文介绍了门极可关断GTO晶闸管的“硬驱动”技术之优点,分析了“硬驱动”技术作用下GTO晶闸管的工作特点,剖析了“硬驱动”条件下,GTO的关断波形,给出了“硬驱动”门极电路的典型结构.2.期刊论文刘建芳.张彦军谈门级可关断晶闸和(GTO)的驱动电路-吉林化工学院学报2003,20(1)分析了传统驱动电路和"硬驱动"技术作用下GTO晶闸管的工作特点,并对两种电路的性能进行了比较,阐述了"硬驱动"所具有的优点,给出了传统驱动电路和"硬驱动"门极电路的典型结构.1.郭一军一种可关断晶闸管(GTO)直接门极驱动电路的研究[期刊论文]-化工自动化及仪表 2008(5)2.张婵.童亦斌.金新民IGCT及其门极驱动电路研究[期刊论文]-变流技术与电力牵引 2007(2)本文链接：/Periodical_dqcd200106018.aspx授权使用：湖南大学(hunandx)，授权号：6f6b98a1-b7c3-4486-8be8-9e1400ef0c55下载时间：2010年10月19日。
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4.1
GTO的结构和工作原理
➢ GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有
如下区别： A
（1）设计2较大，使晶体管VT2控制灵敏，
易于GTO关断。
G
IA
V1 IG
PNP Ic1
Ic2
R
（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通 晶闸管1+21.15）,导通时饱和不深，
NPN S EG
V2 IK
流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小， 又进一步减小VT2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2<1时，
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 。
4.2
GTO的动态特性
➢开通过程：与普
iG
通晶闸管类似，
O
t
需经过延迟时间 td和上升时间tr。
➢ 上升沿陡峭的门极电流脉冲有利于GTO的快速导通，且可保证使所有的 GTO元件几乎同时导通，且使电流分布趋于均匀，通常要求脉冲前沿为
diGU / dt =5～10 A / s；
➢ 脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，减少开通损耗，为此 一般要求脉冲幅度为额定直流触发电流的4～10倍；
➢ 脉冲有足够的宽度可以保证阳极电流可靠建立，一般取脉宽为10～
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
4.1
GTO的结构和工作原理
➢ 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、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， 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO 元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。
GK
GK
G
A
N2
P2 N2
N1
P1 A
G K
a)
b)
c)
图4.1 GTO的内部结图构1-13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) 电气图形符号
4.1
GTO的结构和工作原理
➢ 工作原理：
• 与普通晶闸管一样，可以用图4.2所示的双晶体管模型来分析。
60 s ；
➢ 脉冲后沿尽量平缓可以防止产生振荡，在开通脉冲的尾部出现负的门极 电流，不利于门极开通。
4.4
GTO的驱动电路
1. GTO对门极驱动电路的基本要求
GTO的门极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
A
门极开通电路
G
门极关断电路
K
门极反偏电路
图4.4 门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形
4.4
GTO的驱动电路
1) 门极开通
➢ GTO触发导通要求触发脉冲信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿 缓的脉冲波形；
A
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN V2
S EG
IK
EA
K
K
a)
b)
图4.2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
• 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管VT1、VT2分别具有共基极电流增 益α1和α2。
• 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。
iA
IA 9 0 %IA
td tr
ts
tf
tt
1 0 %IA
0 t0 t1
t2
t3
t4 t5 t6 t
图4.3 GTO的开图通1-1和4 关断过程电流波形
4.2
GTO的基本特性
➢ 关断过程：与普通晶闸管有所
不同
• 抽取饱和导通时储存的大量载流
iG
子——储存时 管退出饱和。
间
ts
，
使
等
效
晶
体
O
• 等效晶体管从饱和区退至放大区，
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
4.4
GTO的驱动电路
• 门极可关断晶闸管（GTO）的导通过程与普通晶闸管 相似，可以用正门极电流开通。但在关断过程中， GTO可以采用负的门极电流关断，这一点与普通晶闸 管完全不同。
• 影响关断的因素很多，例如阳极电流越大越难关断， 电感负载较电阻负载难以关断，工作频率越高、结温 越高越难以关断。 所以欲使GTO关断，往往需要具有 特殊的门极关断功能的门极驱动电路。
tt阶段仍保持适当负电压，则可 缩短尾部时间 。
4.3
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ton
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约 1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。
2) 关断时间toff
—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时 间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降 时间一般小于2s。
EA
接近临界饱和，有利门极控制关断，
K
但导通时管压降增大。
b)
图4.2 晶闸管的工作原理
（4）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短， 使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流 。
4.1
GTO的结构和工作原理
➢ 由上述分析我们可以得到以下结论：
• 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：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电
t
阳极电流逐渐减小——下降时间
•
tf 。 残存载流子复合——尾部时间tt
。
iA IA
• 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 90%IA
td tr
ts tf tt
•
门极负脉冲电流幅值越大，前沿 越陡，抽走储存载流子的速度越
10%IA 0
快，ts越短。
t0
t1
t2
t3 t4 t5 t6 t
• 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 图4.4 GTO的开通图1和-14关断过程电流波形
➢ 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 。
4.3
GTO的主要参数
3) 最大可关断阳极电流IATO
——GTO额定电流。
4) 电流关断增益off
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值 IGM之比称为电流关断增益。
off
= I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
第4章
门极可关断晶闸管（GTO）
4.1 GTO的结构和工作原理 4.2 GTO的动态特性 4.4 GTO的主要参数 4.4 GTO的驱动
4.1
GTO的结构和工作原理
➢ 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