门极关断晶闸管的优化设计

门极关断（Gate Turn Off Thyristor，以下简称为GTO）晶闸管是晶闸管的派生器件，它可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。但GTO的电压、电流容量比GTR大得多，和晶闸管接近。因此，GTO在大功率场合得到了广泛应用。

图1-31 GTO的结构和电气图形符号

GTO和普通晶闸管一样，具有PNPN四层半导体，外部引出阳极、阴极和门极。与普通晶闸管不同的是，GTO是一个多元的功率集成器件，虽然外部同样引出3个极，但内部包含数个以至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO的阴极和门极都在器件内部并联在一起。这种特殊的结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。图1-31a、b是GTO结构的一个例子，图1-31c是GTO的电气图形符号。

由于GTO也是PNPN四层结构，所以其工作原理也可以用图1-32的双晶体管等效电路来分析，两个晶体管分别为P₁N₁P₂和N₁P₂N₂。

设P₁N₁P₂晶体管和N₁P₂N₂晶体管的共基极电流放大系数分别为α₁和α₂。则α₁、α₂随发射极电流I_e变化的情况如图1-33所示。

图1-32 GTO的双晶体管等效电路

图1-33 α₁、α₂和I_e的关系曲线

不考虑漏电流时，由图1-32可以得到GTO的阳极电流I_A为

I_A=α₁I_A+α₂I_K （1-16）(www.xing528.com)

式中，I_K为GTO的阴极电流，当GTO的门极电流I_G=0时，I_K=I_A。当I_G≠0时，有

I_K=I_A+I_G （1-17）

将式（1-17）代入式（1-16），得

由式（1-18）可见，α₁+α₂=1是GTO的临界导通条件；α₁+α₂＞1是GTO的饱和导通条件；α₁+α₂＜1是GTO的截止条件。将式（1-18）变为

β表示门极对GTO的控制灵敏度。控制关断时，式（1-19）中I_G＜0，这时β表示关断灵敏度。

GTO与普通晶闸管的不同之处在于：

1）在器件设计时使α₂较大，提高晶体管VT₂的控制灵敏度，使GTO易于关断。

2）使得导通时的α₁+α₂更接近于1。普通晶闸管设计为α₁+α₂≥1.15，而GTO设计为α₁+α₂≈1.05，这样GTO的饱和程度浅，更接近于临界饱和，从而为门极控制关断创造了有利条件。这样设计的缺点是GTO导通压降较普通晶闸管导通压降增大了。

3）多元集成结构使每个GTO阴极体积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P₂基区的横向电阻很小，从而从门极抽出较大电流成为可能。进入21世纪，GTO的实际应用水平已达到6kV/6kA，在10MVA以上的特大型电力电子装置中已有不少应用。但是由于GTO关断功率很高这一不可克服的缺点，最终导致被IGBT、IECT、IGCT所取代。GTO作为过渡性器件，已光荣地完成了它的历史使命而退役。