最新电力电子半导体器件(GTO)
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。
逆导晶闸管的原理及应用
逆导晶闸管的原理及应用1. 什么是逆导晶闸管？逆导晶闸管（Reverse Conducting GTO，简称逆导GTO）是一种功率半导体器件，结合了双向晶闸管（GTO）和二极管的特性。
逆导GTO在正向电流通路和反向电流通路上都具有低损耗、高效率的特点，因此被广泛应用于高功率电力变换系统中。
2. 逆导晶闸管的工作原理逆导晶闸管的工作原理可以分为以下几个步骤：1.关断状态：当控制极上的触发脉冲信号为高电平时，逆导GTO处于关断状态。
在关断状态下，逆导GTO的正向和反向阻断能力都非常强，不会有任何电流通过。
2.触发脉冲：当控制极上的触发脉冲信号为低电平时，逆导GTO将进入触发状态。
在触发状态下，逆导GTO的内部保持管将被激活，从而形成一个低阻抗通路。
此时，逆导GTO可以承受正向电流。
3.正向通导：当逆导GTO被触发后，它的正向通导特性类似于双向晶闸管。
逆导GTO的正向通导能力取决于控制极上的触发脉冲信号的电平和持续时间。
4.反向通导：与传统的GTO不同，逆导GTO具有反向通导的能力。
在逆导GTO的反向通导状态下，它的反向电流能力与普通二极管相当。
3. 逆导晶闸管的应用逆导晶闸管在高功率电力变换系统中有广泛的应用。
以下是逆导GTO的一些主要应用领域：•变频器：逆导GTO可以用于变频器，将交流电转换为可调节的直流电，并实现电动机的变频调速。
逆导GTO具有低损耗、高性能和高可靠性的特点，适用于要求高效率的变频器系统。
•电力传输：逆导GTO可以用于高压直流输电系统中，通过控制逆导GTO的通导状态，实现高效率的电力传输。
逆导GTO具有双向通导能力，可以方便地控制电力的输出和输入。
•焊接设备：逆导GTO还可应用于高功率焊接设备中。
逆导GTO的快速开关特性可以实现焊接电流的精确控制，提高焊接质量和效率。
•电力电子照明：逆导GTO可以应用于高功率电力电子照明系统中，如街道照明、舞台照明等。
逆导GTO的高效率和低损耗可以提供稳定可靠的电力供应，同时节省能源。
电力电子器件在工作原理上的差别
电力电子器件（GTO 、GTR 、MOSFET 、IGBT 、IGCT 、MCT ）在工作原理上有什么差别？分析：电力电子器件（power electronic device ）——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
1. 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，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理GTO 是由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1和α2。
α1+α2=1是器件临界导通的条件。
当α1+α2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当α1+α2<1时，不能维持饱和导通而关断。
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I b2减小，使I K 和I c2减小，I c2的减小又使I A 和I c1减小，又进一步减小V2的基极电流。
当I A 和的减小使α1+α2<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d i /d t 能力强 。
2. 电力晶体管（Giant Transistor ——GTR ）GTR 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor ——BJT ），英文有时候也称为Power BJT 。
在电力电子技术的范围内，GTR 与BJT 这两个名称等效。
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。
AP 1AGK N 1P 2P 2N 1N 2a)b)GTR 的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 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，通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
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
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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晶闸管符号
GTO晶闸管符号1. 介绍GTO（Gate Turn-Off）晶闸管是一种具有可控开关能力的功率电子器件，通常用于高压和大电流的开关应用。
GTO晶闸管可以通过控制其栅极电压来实现开关状态的转换，具有低损耗、高可靠性和快速响应的特点。
在电力系统、工业自动化、交通运输等领域被广泛应用。
2. GTO晶闸管结构GTO晶闸管由多个层次的半导体材料组成，主要包括N型和P型半导体材料。
其典型结构如下：1.N+区：在N+区域注入了大量杂质，形成高浓度的电子载流子。
2.N-区：N-区是主要承受主电流的区域，具有较低浓度的杂质。
3.P+区：在P+区域注入了大量杂质，形成高浓度的空穴载流子。
4.P-区：P-区是主要承受主电流的区域，具有较低浓度的杂质。
5.压控层：压控层是GTO晶闸管的关键部分，通过栅极电压的控制来实现开关操作。
3. GTO晶闸管符号GTO晶闸管的符号用于电路图中表示该器件。
其符号如下所示：A K┌─┴─┐ ┌─┴─┐│ │ │ │─┘ └───|G|───┘ └──GTO GATE其中，A表示阳极（Anode），K表示阴极（Cathode），G表示栅极（Gate）。
4. GTO晶闸管工作原理GTO晶闸管的工作原理可以分为导通状态和关断状态两种情况。
4.1 导通状态当栅极电压大于或等于触发电压时，GTO晶闸管处于导通状态。
此时，栅极电流激活了压控层，使之变为低阻态。
主电流可以从阳极经过N+区、N-区、P+区和P-区，最终达到阴极。
导通时，主电流可以承载较大的功率。
4.2 关断状态当栅极电压低于触发电压时，GTO晶闸管处于关断状态。
此时，压控层处于高阻态。
主电流无法通过GTO晶闸管，器件处于关断状态。
5. GTO晶闸管特性GTO晶闸管具有以下特性：1.可控性：通过控制栅极电压来实现开关操作。
2.低损耗：导通时的正向压降较低，减小了功率损耗。
3.高可靠性：采用了先进的封装技术和散热设计，提高了器件的可靠性。
电力电子半导体器件(GTO)
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
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。
电力电子半导体器件(GTO)
二、动态特性
1．开通特性：
开通时间：ton = td + 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。 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。
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。
（吸收回路）
② di/dt：阳极电流上升率
GTO开通时， di/dt过大会导致阴极区电流局部集中或使开通 损耗增大，引起局部过热，而损坏GTO。（串联电感）
5．浪涌电流及I2t 值
与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重 复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件 性能的变差。
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。 （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。
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 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。
关断条件： α1 +α2 <1
IGM(122)1IA
被关断的最大阳极电流
TO
电流关断增益：
全控型电力电子器件GTO
O
t
iA IA 90%IA 10%IA 0
td
tr
ts
tf
tt
t0
t1
t2
t3
t4t5t6tGTO的开通和关断过程电流波形 的开通和关断过程电流波形
4. GTO的主要参数 的主要参数
许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 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。 只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间 on ）开通时间t
（3）最大可关断阳极电流 ATO ）最大可关断阳极电流I
——GTO额定电流 额定电流。 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 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最 大值I 之比称为电流关断增益。 大值 GM之比称为电流关断增益。
β off
I ATO = I GM
较大，使晶体管V 设计α2较大，使晶体管 2控 制灵敏，易于关断。 制灵敏，易于关断。 更接近1， 导通时α1+α2更接近 ，导 通时接近临界饱和， 通时接近临界饱和，有利门 极控制关断， 极控制关断，但导通时管压 降增大。 降增大。 多元集成结构， 多元集成结构，每个元阴极 和门极距离很短，使得P 和门极距离很短，使得 2基 区横向电阻很小， 区横向电阻很小，能从门极 抽出较大电流。 抽出较大电流。
GTO的开关时间比普通晶闸管短但比 的开关时间比普通晶闸管短但比GTR长，因此工 长 的开关时间比普通晶闸管短但比 作频率介于两者之间。 作频率介于两者之间。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 不少 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管， 都制造成逆导型 受反压时，应和电力二极管串联 。 受反压时，
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；
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
可关断晶闸管（GTO）可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）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。
前已述及，普通晶闸管（SCR）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。
可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。
GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。
目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。
大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。
可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件，其结构及等效电路和普通晶闸管相同，因此图1仅绘出GTO典型产品的外形及符号。
大功率GTO大都制成模块形式。
尽管GTO与SCR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。
这是由于普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态，而GTO在导通后只能达到临界饱和，所以GTO门极上加负向触发信号即可关断。
GTO的一个重要参数就是关断增益，βoff，它等于阳极最大可关断电流IATM与门极最大负向电流IGM之比，有公式βoff =IATM/IGMβoff一般为几倍至几十倍。
βoff值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。
很显然，βoff与昌盛的hFE参数颇有相似之处。
下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。
1．判定GTO的电极将万用表拨至R×1档，测量任意两脚间的电阻，仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值，对其它情况电阻值均为无穷大。
由此可迅速判定G、K极，剩下的就是A极。
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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§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；
特点： ① α1 <α2 P1N1P2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元并联形成。
4． dv/dt和di/dt
① dv/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 电压越高，静态dv/dt 耐量越高。（并联电阻）
动态dv/dt 也称重加dv/dt ，是GTO在关断过程中阳极电压的 上升率。重加dv/dt 会使瞬时关断损耗增大，也会导致GTO损坏。
放大门极GTO 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
3．安全工作区 与GTR和功率MOSFET不同，门极加正触发信号时（正向
偏置），无安全工作区问题，只有瞬时浪涌电流的规定值。 当门极加负脉冲关断信号时（反向偏置），有安全工作区
问题。 定义：在一定条件下，GTO能可靠关断的阳极电流与阳极电 压的轨迹。与门极驱动电路和缓冲电路参数有关。
二、动态特性
1．开通特性：
开通时间：ton = td + 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。 上升时间内，开通损耗较大；
GTO的维持电流指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维 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。
（吸收回路）
② di/dt：阳极电流上升率
GTO开通时， di/dt过大会导致阴极区电流局部集中或使开通 损耗增大，引起局部过热，而损坏GTO。（串联电感）
5．浪涌电流及I2t 值
与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重 复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件 性能的变差。
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。
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：
③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， 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：
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。
2．关断增益βoff
影响IATO的因素都会影响βoff ；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。
3．阳极尖峰电压VP VP是在下降时间末尾出现的极值电压，随阳极关断电流线性
增加，过高会导致GTO失效。 VP的产生是由缓冲电路中的引线 电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的，减小VP应 尽量缩短缓冲电路的引线，采用快恢复二极管和无感电容。
阳极电压一定时，开通损耗随 阳极电流增大而增大。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
IATO(122)1IGM
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。
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 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。
I2t 值表示在持续时间不满10ms的区域内衡量正向非重复电 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
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。