第4章 门极可关断晶闸管GTO教材

GK
GK
G
A
N2
P2 N2
N1
P1 A
G KHale Waihona Puke Baidu
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。
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。
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
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；
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。
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。
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，
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
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
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。
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。
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。
➢ 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～