门极关断（GTO）晶闸管的工作原理和应用

普通晶闸管（SCR）在整流器、交-交变频器及某些有源逆变电路中，扮演了很好的角色。这是由于交流电源每进入负半周时，SCR承受反向而自行关断。但是，在具有中间直流回路的逆变器中，SCR两端承受的是极性不变的直流电压，因此无法自行关断，必须依靠辅助环节进行强迫关断。GTO不需要上述的辅助换相电路，使逆变器、斩波器等装置的主电路大大简化，减小了体积，降低了成本。目前，已经上市的GTO容量为600～3000kVA。因此，GTO是大中容量变频器经常选用的电力电子器件。

图1-37 GTO工作简图

GTO与SCR在体内结构方面都是PNPN四层半导体三引出端的结构，它们的导通机理是相同的，只要在阳极与阴极间加正向电压，门极与阴极间加正向触发信号，则器件导通。下面简单叙述一下GTO的关断原理。

图1-37为GTO的工作电路简图。A、K和G分别GTO的阳极、阴极和门极，E_A和R_K分别为工作电压和负载电阻；E_G1和R_G1分别为正向触发电压和限流电阻；E_G2和R_G2分别为反向关断电压和限流电阻。当S置于“1”时，GTO导通，阴极电流I_K=I_A+I_G。当S置于“2”时，GTO关断。GTO也是由很多个元胞并联组成，每个元胞的阴极均被周围的门极所包围，图1-38示出的是器件内一个元胞的剖面图，它也是一个四层三端结构。

图1-38 GTO的关断原理

在GTO进行门极关断时，必须在门极G和阴极K之间施加反向电压-E_G，此时，从门极G向外流出电流，即反向门极电流-I_G，反向门极电压-E_G排除了P₂区非平衡空穴载流子的积累，还阻止了N₂区发射极非平衡电子流的注入。反向门极电流-I_G的流动意味着P₂基区中的过剩空穴通过门极流出器件，而电子则通过J₃结从阴极排出。随着空穴和电子被排除，在J₃结的附近形成了耗尽层（见图1-38）。此耗尽层从阴极靠近门极的区域逐渐向阴极中心部分扩展。这样，从N₂发射区没有电子注入P₂基区，在P₂区与N₂区中的过剩载流子一直复合到消灭为止，J₃结如能维持反偏置状态，为J₂结迅速恢复阻断能力创造条件，只要J₂结恢复了反向阻断能力，GTO就被关断。实际上，控制GTO的关断是比较复杂的。关键是它关断时需要施加一个较大的反向门极电流，例如4000V/3000A的GTO，它的门极关断电流需要-750A，才能将其可靠关断。关断时，由于阳极电流的下降速度很快，即使在缓冲器中有很小的漏感，也会引起阳极的尖峰电压，这个尖峰电压会产生二次击穿。此外，GTO关断时，在阳极-阴极间的电压上升时，阳极的拖尾电流会引起较大的功率损耗。所以，GTO电路设计时应有适当的缓冲器，以避免上述问题的产生。由于有较高的缓冲器损耗，使GTO的开关频率限制在1～2kHz以内。为了解决这个问题，有人正在研究无损耗的缓冲器。

GTO的详细参数较多，下面介绍几个主要参数：

1.可关断峰值电流I_TGQM 用门控制可关断（或称可控制）的最大阳极电流值。

2.通态有效值电流I_T（rms） 管子在通态时能承受的最大有效值电流。(www.xing528.com)

3.维持电流I_H 在规定的门极条件和负载条件下，从较大的通态电流下降至保持GTO导通态所需要的最小通态电流值。

4.断态重复最大电压U_DRM 在断态时管子能承受而不被击穿的最大重复瞬时电压。

图1-39 一种GTO驱动电路和波形

5.通态电压U_T GTO导通时，阳极与阴极间的电压降。

此外，还有门极正向最大触发电流、反向最大电流、导通时间、关断时间，电流上升率、电压上升率等参数，这里不再赘述。

GTO驱动电路的设计不但要考虑到满足所有GTO触发参数的要求，而且要解决隔离问题。目前适用于不同容量GTO的驱动电路很多，图1-39a是采用大功率晶体管直接驱动的门极控制电路，工作波形如图1-39b所示。此电路可用于驱动2700A、2500V的大功率GTO。

门极开通电路由大功率晶体管V₁、V_1A组成。晶体管V₁提供幅值为10A的宽脉冲电流。作为维持GTO在整个导通区间内的门极开通电流；晶体管V_1A提供幅值为30A的窄脉冲电流。两者叠加后施加于门极，形成正向开通强触发脉冲电流，其最大幅值可达40A。

门极关断电路由V₂、V₃和V₄复合而成达林顿型晶体管，其门极反向关断脉冲电流最大值可达660A。s₁为门极开通电流触发脉冲的控制信号，s₂是双极性的控制信号。正极性信号控制晶体管V₁的导通，负极性信号则用于控制复合晶体管V₂、V3和V₄的导通。

图中两个±15V直流电源由电源变压器经整流后提供。控制信号s₁和s₂经光耦合器或脉冲变压器隔离转换后输出。