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1、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,第4章,1,PPT课件,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,4.1,GTO的结构和工作原理,2,PPT课件,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GT
2、O元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。,图4.1 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) 电气图形符号,GTO的结构和工作原理,4.1,3,PPT课件,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。,图4.2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断。,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1和2。,4.1,GTO的结构和工作原理,4,PP
3、T课件,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：,4.1,（1）设计2较大，使晶体管VT2控制灵敏，易于GTO关断。（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，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。,（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 。,图4.2 晶闸管的工作原理,GTO的结构和工作原理,5,PPT课件,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流，则I
4、b2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+21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 。,4.1,GTO的结构和工作原理,6,PPT课件,开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。,图4.3 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,4.2,7,PPT课件,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子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf 。残存载流子复合尾部时间t
5、t 。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。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快，ts越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间 。,GTO的基本特性,4.2,图4.4 GTO的开通和关断过程电流波形,8,PPT课件,GTO的主要参数,4.3, 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。, 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。,关断时间toff,开通时间ton,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
6、电力二极管串联 。,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。,9,PPT课件,最大可关断阳极电流IATO,4.3,电流关断增益off,off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,GTO额定电流。,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。,GTO的主要参数,10,PPT课件,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
7、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。,4.4,11,PPT课件,GTO的驱动电路,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,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,4.4,1. GTO对门极驱动电路的基本要求,12,PPT课件,GTO的驱动电路,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；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
8、前沿为 =510 ；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410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1060 ；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。,4.4,1) 门极开通,13,PPT课件,GTO的驱动电路,已导通的GTO靠门极反向电流来关断，它是GTO应用中的关键问题；对门极关断脉冲波形的要求是前沿陡、幅度高、宽度足够、后沿平缓。前沿陡，可以缩短关断时间，减少关断损耗。但前沿不宜过陡，否则会使关断增益降低，阳极尾部电流增加，对GTO产生不利影响，一般使脉冲电流的
9、上升率为 =510 ；为了保证GTO的可靠关断，关断负电压脉冲宽度应不小于40s。关断电压脉冲的后沿应尽量平缓，如果坡度太陡，由于结电容效应会产生一个门极正电流（尽管门极电压是负的），使GTO有开通的可能，不利于关断。,4.4,2） 门极关断,14,PPT课件,GTO的驱动电路,与普通晶闸管相比，GTO由于结构原因使得其承受电压上升率的能力较差，例如阳极电压上升率较高时可能会引起误触发。可以设置一个门极反偏电路，在GTO正向阻断期间于门极上施加反偏电压，从而提高承受的能力。 但反偏电压的幅度必须小于门极反向雪崩电压，持续时间可以是几十微秒和整个阻断状态所处的时间，这样有利于GTO的安全运行。,
10、4.4,4）门极反偏,15,PPT课件,GTO的驱动电路,图4.5门极驱动电路实例1,4.4,2.门极驱动电路实例1,图4.5是一种小容量的GTO门极驱动电路。,当,时，由晶体管VT1、VT2组成,充电，形成,的极性为左()右()；当,VT4、VT4饱和导通，电容,电阻R4、VD1和VT4放电，形成反向,的复合管导通，对电容,正向门极电流，触发GTO导通，电容,时，,通过,门极电流，使GTO关断。,16,PPT课件,GTO的驱动电路,图4.6门极驱动电路实例2,4.4,2.门极驱动电路实例2,实用的双电源光电耦合GTO门极驱动电路如图4.6所示。,电路由导通控制与关断控制两部分组成，图中上半部分为导通控制电路，下半部分为关断控制电路。 每部分电路都由光电隔离、整形、放大三级电路组成。,17,PPT课件,GTO的驱动电路,图4.7门极驱动电路实例2,4.4,2.门极驱动电路实例2,在导通控制电路中，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。 由于D1的输出波形会产生畸变，故采用由VT1和VT2组成的施密特触发器作为整形电路，整形后的脉冲信号经VT3、VT4和VT5组成的放大级送至GTO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。,18,PPT课件,
