门极可关断晶闸管（GTO）的特点与应用

GTO（Gate-Turn-Off Thyristor）是门极可关断晶闸管的简称，是具有门极正信号触发导通和门极负信号触发关断的全控型电力电子器件。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、控制功率小、使用方便和价格低等；它具有自关断能力，属于全控器件，在质量、效率及可控性等方面有着明显的优势，是被广泛应用的自关断器件之一。

2.3.1 GTO的结构和工作原理

1.GTO的结构

GTO的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。和普通晶闸管不同的是：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。这种特殊结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。GTO的结构、等效电路及图形符号如图2-12所示。图2-12中A、G、K分别代表GTO的阳极、门极和阴极；a1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，a2为 N1P2 N2晶体管的共基极电流放大系数；箭头方向表示多数载流子运动方向。

图2-12 GTO的结构、等效电路和图形符号

2.GTO的工作原理

GTO的工作原理与普通晶闸管一样，两个等效晶体管PNP和NPN的电流放大倍数分别为a1和a2。GTO及普通晶闸管触发导通的条件是：当它的阳极与阴极之间承受正向电压，门极加正脉冲信号（门极为正，阴极为负）时，可使a1 + a2 ＞1，从而在其内部形成电流正反馈，使两个等效晶体管饱和导通。但GTO兼顾到关断特性，晶体管饱和导通接近临界状态。导通后的管压降比较大，一般为2~3V。当GTO的门极加负脉冲信号（门极为负，阴极为正）时，门极出现反向电流，此反向电流将GTO的门极电流抽出，使其电流减小，1a和a2也同时下降，以致无法维持正反馈，从而使GTO关断。所以只要在GTO的门极加负脉冲信号，即可将其关断。多元集成结构还使GTO比普通晶体管开通过程快，承受di/dt能力强。

2.3.2 GTO的基本特性

1.阳极伏安特性

GTO的阳极伏安特性与普通晶闸管相似，如图2-13所示。当外加电压超过正向转折电压Ubo时，GTO正向开通，正向开通次数多了就会引起GTO性能变差，但若外加电压超过反向击穿电压Ubr，则发生雪崩击穿，造成元件的永久性损坏。对GTO门极加正向触发电流时，GTO的正向转折电压随门极正向触发电流的增大而降低。

图2-13 GTO的阳极伏安特性

2.GTO的动态特性(www.xing528.com)

图2-14给出了GTO开通和关断过程中门极电流Gi和阳极电流Ai的波形。与普通晶闸管类似，开通过程中需要延迟时间td和上升时间tr。关断过程则有所不同，首先需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间-储存时间ts，从而使等效晶体管退出饱和状态；然后则是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减少所需时间——下降时间tf；最后还有残存载流子复合所需时间——尾部时间tt。

图2-14 GTO的开通和关断过程电流波形

通常tf比ts小的多，而tt比ts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就越短。若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。

3.GTO的主要参数

GTO的基本参数与普通晶闸管的参数大多相同，这里只简单介绍一些意义不同的参数。

1）最大可关断阳极电流IATO

最大可关断阳极电流IATO是用来标称GTO额定电流的参数，这一点与普通晶闸管用通态平均电流作为额定电流是不同的。

2）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大值IGM之比，称为电流关断增益，即

关断增益这个参数是用来描述GTO关断能力的。βoff一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。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。

3）擎住电流IL

与普通晶闸管定义一样，IL是指门极加触发信号后，阳极大面积饱和导通时的临界电流。GTO由于工艺结构特殊，其IL要比普通晶闸管大得多，因此在加电感性负载时必须有足够的触发脉冲宽度。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。