1.4 门极可关断晶闸管（GTO）

门极可关断晶闸管简称GTO。是一种在晶闸管基础上发展起来的全控型开关器件，其门极可以控制器件的开通和关断。它具有一般晶闸管耐高电压、电流容量大、浪涌承受能力比其他电力电子器件高等优点。因此，GTO已逐步取代了晶闸管，成为大中容量10kHz以下的逆变器和斩波器的主要开关器件。

1.4.1GTO的基本结构和工作原理

1.4.1.1 GTO的结构

GTO与普通晶闸管结构上的最本质区别就在于晶闸管是单元器件，即一个器件只含有一个晶闸管；而GTO则是集成器件，即一个器件是由许多小GTO集成在一片硅晶片上构成的。GTO是一种PNPN四层结构的半导体器件，其结构、等效电路及图形符号如

图115所示。图111中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。a₁为P₁N₁P₂

晶闸管的共基极电流放大系数，a₂为N₂P₂N₁晶闸管的共基极电流放大系数，图111中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。

图111 GTO的结构、等效电路及图形符号

（a）结构；（b）等效电路；（c）图形符号

1.4.1.2 GTO开通原理

由图1 11（b）所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极加正触发信号时，GTO导通，其具体过程如下：

I_G↑→I_C2↑→I_A↑→I_C1↑

显然这是一个正反馈过程。当流入的门极电流I_G足以便晶闸管N₂P₂N₁的发射极电流增加时，进而使P₁N₁P₂晶闸管的发射极电流也增加时，a₁和a₂也增大。当a₁+a₂＞1之后，两个晶闸管均饱和导通，GTO则完成了导通过程。可见，GTO导通的必要条件是

a₁+a₂＞1

（1 9）

此时注入门极的电流I_G为

I_G=1-（a₁+a₂）

I_A

（1 10）

a₂

式中 I_A———GTO的阳极电流；

I_G———GTO的门极注入电流。

由式（110）可知，当GTO门极注入正的I_G电流但尚不满足开通条件时，虽有正反馈作用，但器件仍不会饱和导通。这是因为门极电流不够大，不满足a₁+a₂＞1的条件，这时阳极电流只流过一个不大而且是确定的电流值。当门极电流I_G撤销后，该阳极电流也就消失。与a₁+a₂=1状态所对应的阳极电流为临界导通电流，定义为GTO的擎住电流。当GTO在门极正触发信号的作用下开通时，只有阳极电流大于擎住电流后，GTO才能维持大面积导通。

1.4.1.3 关断原理

GTO开通后可在适当外部条件下关断，其关断电路原理与关断时的阳极和门极电流如图112所示。关断GTO时，将开关S闭合，门极就施以负偏置电压E_C。晶闸管P₁N₁P₂的集电极电流I_C1被抽出门极负电流-I_C，此时N₂P₂N₁晶闸管的基极电流减少，进而使I_C2减少，于是引起I_C1的进一步下降，如此循环，最终导致GTO的阳极电流消失而关断。

图112 GTO关断电路与关断过程波形

当抽出的最大门极电流-I_GM和被关断的最大阳极电流I_ATO满足式（111）时：

-I_GM ＞（a₁+a₂）-1

I_ATO

（1 11）

a₂

用上述GTO被关断两个电流的比表示GTO的关断能力，称为电流关断增益，用β^off表示，β^off是一个重要的特征参数，其值一般为3～8。

1.4.1.4 失效机理

由于GTO器件是由成百上千个GTO小元组成，内部电路等效于这些GTO小元的并联。但由于制造工艺、材料质量等问题，很难保证一个大功率GTO内部所有小元的特性完全相同。若这些小元性能不一致，就可能造成稳态工作时电流分配不均，开关时间不同。先开通的小元将在短时间内承受全部阳极电流，后关断的小元也将承受先关断的小元转移过来的电流，造成这些小元局部电流过大而烧坏，使器件永久性失效。为解决这一问题，一方面在工艺上应改善内部大面积扩散及载流子寿命的均匀性，以保证内部小元性能的一致；另一方面，从电路上则应提高门极触发电流的强度和上升率，以改善内部GTO小元的开通一致性。

1.4.2GTO的特性及主要参数

1.4.2.1 静态特性

GTO的阳极伏安特性如图1 13所示。当外加电压超过正向转折电压U_BFO时，GTO即正向开通，这种现象称为电压触发。此时不一定破坏器件的性能；但是若外加电压超过反向击穿电压U_BR之后，则发生雪崩击穿现象，极易损坏器件。用90%U_BFO值定义为正向额定电压，用90%U_BR值定义为反向额定电压。

图113 GTO的阳极伏安特性

1.4.2.2 通态压降特性

GTO的通态压降特性如图1 14所示。结温不同时，GTO的通态压降U_A随着阳极通态电流I_A的增加而增加，只是趋势不尽相同。一般希望通态压降越小越好，管压降小，GTO的通态损耗小。

GTO在正向导通时与晶闸管类似，仅有瞬时浪涌电流的限制。然而当器件在门极施图114 GTO的通态压降特性

加负脉冲关断信号时，有一个门极反向偏置下GTO能可靠关断的阳极电流与电压的轨迹，如图115所示。这个轨迹与门极驱动状态和电路运行时的其他参数有关。这种在一定条件下，施加门极反偏电压使GTO能可靠关断的阳极电流和电压曲线包围的区间就叫GTO的反偏安全工作区RBSOA，简称安全工作区SOA。当电路条件改变后，SOA也会改变，实际应用时应子考虑。

图115 GTO的安全工作区

1.4.2.3 动态特性

与晶闸管一样，讨论GTO动态特性，也就是分析器件从断态到通态和从通态到断态过程中，器件电压、电流及功耗随时间变化的状态。图116示出GTO开通和关断过程中的有关波形。开通过程从门极施加正向电流开始，当阳极电流大于其擎住电流后，即可完成。开通时间t_on也含延迟时间t_d和上升时间t_r。

整个开通时间受元件特性、门极电流上升率及门极脉冲幅值影响。这一过程中的功耗绝大部分在上升时间内产生。

图116 GTO开关过程

门极施加负压，GTO开始关断。整个关断过程应分为3个阶段。

（1）存贮时间t_s。门极关断电流达到其峰值的10%到阳极电流下降到可关断电流的90%所需的时间。这一区间内部等效晶体管未退出饱和，三个PN结均为正向偏置，GTO工作状态基本无变化，功耗也很小。由于门极负脉冲使GTO饱和时存贮在P₂区的载流子被抽出，导通面积逐渐被压缩，然而总电流几乎维持不变。当这个阶段结束时，门极负电流达到最大值。

（2）下降时间t_f。阳极可关断电流i_A从90%下降到10%所需的时间。由图120电流波形可知，过了这个区间以后，阳极电流将重新开始回升。在这一区间内阳极电压明显增加，电流也有较大值，功耗幅值也最大。这段时间虽短，但功耗十分集中，过大的瞬时功耗会使器件失效。

（3）尾部时间t_t。阳极电流从10%可关断电流开始回升到最后衰减至断态漏电流经过的时间。这段时间内阳极电压已基本建立，但仍有残存载流子继续被抽出。器件很容易因过高的重加阳极电压du/dt导致关断失效，必须充分注意。这段时间内阳极电流呈现缓慢减小趋势，而电压已很高，因此关断损耗大部分出现在这段时间。由于尾部时间是残存载流子复合所需时间，它比抽出载流子的时间要长。为减小尾部损耗，应尽量缩短尾部时间。

1.4.2.4 门极特性

GTO门极、阴极也跨在P₂N₂结两边，因此具有一般PN结类似的静态伏安特性。图117所示，当门极反向偏置超过其反向击穿电压BU_R时，将门—阴极反向击穿，形成阴极反向电流，可能造成门—阴极结的损坏，必须引起注意。

图117 GTO关断过程门极特性

GTO关断是在外施门极反偏置作用下由内部载流子形成的负电流脉冲来控制的。在这一过程中，门极—阴极的伏安特性十分特殊。图121显示出了关断过程中门极电压、电流的波形。关断期间门极负电流幅值I_GM与阳极可关断电流相关，负电流的di_CR/dt则与外施门极负压及门极参数有关。由于存贮时间结束时，P₂区在器件饱和时存贮的载流子被抽出，器件退出饱和，门极、阴极间的负压迅速增加，故可能造成反向击穿，出现阴极反向电流，使门极负电流增加。这一方面有助于器件关断；另一方面，若延续时间太长，也会损坏门极—阴极结。使用和设计时必须注意。

1.4.2.5 GTO的主要参数

GTO的主要参数如下。

（1）最大阳极可关断电流I_ATO。I_ATO即为GTO的额定电流。

（2）关断增益β^off。β^off为最大阳极可关断电流与门极负电流最大值之比。

（3）阳极尖峰电压U_P。阳极尖峰电压U_P是在GTO关断过程下降时间末尾出现的极值电压。

（4）关断时间t_off。t_off定义为存贮时间和下降时间之和，即t_off=t_s+t_f。

（5）阳极电压上升率du/dt。GTO的du/dt有静态和动态之分。

（6）阳极电流上升率di/dt。在阳极电压为额定电压1/2时，阳极电流为最大可关断电流条件下，开通过程中阳极电流从10%～50%间的直线斜率。

1.4.3 GTO的驱动电路

可关断晶闸管由门极正脉冲控制导通，负脉冲控制关断。影响GTO导通的主要因素有：阳极电压、阳极电流、温度和开通控制信号的波形。阳极电压越高，GTO越容易导通，阳极电流较大时易于维持大面积饱和导通。温度低触发困难，温度高容易触发。影响GTO关断的主要因素有：被关断的阳极电流、负载阻抗性质、温度、工作频率、缓冲电路和关断控制信号波形等。阳极电流越大，关断越困难。电感性负载较难关断，结温越高越难关断，结温过高甚至会出现关不断的现象。工作频率高关断也困难。对关断信号的波形更有特殊要求。

GTO门极电流、电压控制波形分开通和关断两部分，波形形状如图118所示。图中实线为门极电流波形，虚线为门极电压波形。I_GF为正向直流触发电流，I_GRM为最大反向门极电流。门极开通控制电流信号的波形要求是：脉冲的前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓。脉冲前沿对结电容充电，前沿陡充电快，正向门极电流建立迅速，有利于GTO的快速导通。一般取门极开通电流变化率dI_GF/dt为5～10A/μs。门极正脉冲幅度高可以实现强触发，一般该值比额定直流触发电流大3～10倍，为快速开通甚至还可以提高该值。门极触发电流的幅值不同，相应的开通时间亦不同。强触发有利于缩短开通时间，减少开通损耗，降低管压降，适用于低温触发并易于GTO串并联运行。触发电流脉冲的宽度用来保证阳极电流的可靠建立，一般定为10～60μs。后沿则应尽量缓一些，后沿过陡会产生振荡。

图118 GTO门极控制信号波形

用门极反向电流来关断导通的GTO，反向门极电流波形对GTO的安全运行有很大影响。对关断控制电流波形的要求是：前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓；脉冲前沿陡可缩短关断时间，减少关断损耗，但前沿过陡会使关断增益降低，阳极尾部电流增加，对GTO产生不利的影响。一般关断脉冲电流的上升率dI_GR/dt取10～50A/μs。门极关断负电压脉冲必须具有足够的宽度，既要保证在下降时间t_f内能继续抽出载流子，又要保证剩余载流子的复合有足够的时间。特别是GTO关断过程中尾部时间过长时，必须有足够的门极负电压脉冲宽度保证GTO可靠关断。关断电流脉冲的幅值，GRM一般取为

（1/3～1/5）I_ATO值，由关断增益的大小来确定。在I_ATO一定的条件下，I_GRM越大，关断时

间越短，关断损耗越小，但是关断增益下降。若关断增益保持不变，增加I_GRM可提高GTO的阳极可关断能力。门极关断控制电压脉冲的后沿要尽量平缓一些，如果坡度太陡，由于结电容效应，尽管门极电压是负的，也会产生一个门极电流。这个正向门极电流有使GTO开通的可能，即使因为这个正向门极电流时间短或幅度小，不足以使GTO开通，也会使刚刚关断的GTO耐压和阳极承受du/dt的耐量降低，影响GTO的正常工作。

根据对GTO门极控制信号的期望的波形，可以组成各种各样的门极驱动电路，下面以两个电路实例加以说明。

图119给出一种直接耦合式的门极驱动电路。电路采用半桥结构，通过电容C₁、C₂分压，为GTO阴极提供零电位。这种电路结构简单，开通和关断的能量不受电容大小的影响，有较强的关断能力。图120所示为最简单的磁耦合式门极驱动电路，当驱动级晶体管V导通时，关断晶闸管，以保证较大的门极关断电流。驱动级晶体管关断时，利用变压器中贮能使GTO开通。这个电路最大的特点是简单、效率高。但由于开通仅仅依靠变压器在关断过程中存贮的能量，所以对大容量GTO不太合适，也不适合低频要求提供关断负偏压的应用场合。

图119 直接耦合式门板驱动电路

图120 磁耦合式门极驱动电路

1.4.4GTO的最大可关断阳极电流和电流关断增益1.4.4.1 最大可关断阳极电流

GTO的阳极电流允许值受两方面因素的影响：一是额定工作结温，其决定了GTO的平均电流额定值；二是关断失败。所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流I_ATO作为其容量，I_ATO即管子的铭牌。在实际应用中，可关断阳极电流I_ATO受以下因素的影响：门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率和电路参数的变化等，在应用中应予特别注意。

1.4.4.2 电流关断增益

电流关断增益β^off为最大关断电流I_ATO与门极负电流最大值I_GN之比，即

β^off=

-IIATGOM=

a₂

（1 12）

（a₁+a₂）-1

β^off表示GTO的关断能力。当门极负电流上升率一定时，β^off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，β^off随门极负电流上升率的增加而减小。采用适当的门极电路，很容易获得上升率较快、幅值足够的门极负电流。因此，在实际中不必追求过高的关断增益。若关断增益β^off太大，则GTO处于深度饱和，不能用门极抽取电流的方法来关断，因此在允许范围内，要求a₁+a₂尽可能接近1，且a₂要大。GTO与晶闸管在结构上的不同点除了其多集成结构外，其a₂较大，使得晶体管V₂对门极电流反应比较灵敏，同时其a₁+a₂≈1.05，更接近1，使得GTO导通时饱和程度不深，更接近于临界饱和，从而为门极控制关断提供有利条件。