可关闭式晶闸管：工作原理、优点及应用

门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。GTO 既具有普通晶闸管的优点（耐压高、电流大、耐浪涌能力强、价格便宜），同时又具有GTR 的优点（自关断能力、无须辅助关断电路、使用方便），是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。

1.GTO 的结构与工作原理

GTO 的结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN 四层三端半导体器件，其结构及符号如图3－1所示。图中A、G 和K 分别表示GTO 的阳极、门极和阴极。其外形如图3－2所示。

图3－1　GTO 的结构及符号

（a）结构；（b）符号

图3－2　GTO 的外形

GTO 的外部引出3 个电极，但内部却包含数百个共阳极的小GTO，这些小GTO 称为GTO 元。GTO 元的阳极是共有的，门极和阴极分别并联在一起，这是为实现门极控制关断所采取的特殊设计。

由于结构的不同，GTO 又分为多种类型，目前，用得较多的是逆阻GTO 和阳极短路GTO 两种。逆阻GTO 可承受正、反向电压，但正向压降大，快速性能差；阳极短路GTO 又称无反压GTO，它不能承受反向电压，但正向压降小，快速性能好，热稳定性优良。

2.GTO 的主要特性

（1）阳极伏安特性。逆阻型的阳极伏安特性如图3－3所示。由图可见，它与普通晶闸管的伏安特性极其相似。

图3－3　GTO 的阳极伏安特性

GTO 的阳极耐压与结温有着密切的关系，结温升高GTO 的耐压降低。GTO 的阳极耐压还与门极状态有关，门极短路比开路可提高耐压近10%，门极加负偏置可比开路时提高耐压40%。

（2）通态压降特性。GTO 的通态压降特性如图3－4所示，由图可见，随着阳极通态电流IA的增加，其通态压降ΔUT增加。一般希望通态压降越小越好。管压降小，GTO 的通态损耗就小。

图3－4　GTO 的通态压降

（3）开通特性。开通特性是元件从断态到通态过程中电流、电压及功耗随时间变化的特性，如图3－5所示。

图3－5　GTO 的开通特性

GTO 的开通时间ton由延迟时间td 和上升时间tr 组成。开通时间取决于元件的特性、门极电流上升率dig/dt 以及门极脉冲幅值的大小。一般td 为1～2 μs，tr 则随通态平均电流的增大而增大。

图中虚线为开通过程中的功率曲线。在延迟时间td 内，功率损耗Pon比较小，大部分的开通损耗出现在上升时间内。阳极电流的增加和开通时间的延长都会使GTO 开通损耗加大。

（4）关断特性。关断特性是指GTO 在关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系，如图3－6所示。

图3－6　GTO 的关断特性

关断时间toff定义为存储时间ts与下降时间tf之和。ts随阳极电流增大而增大，tf一般小于2 μs。

GTO 的关断损耗Poff主要集中在下降时间tf内，此时阳极电压往往出现一个尖峰电压UP，这个尖峰电压主要是GTO 缓冲电路中杂散电感Ls 在阳极电流迅速下降时产生的Lsdi/dt，Ls 越大，UP越大，Poff越大。在实际应用中，应尽量减小缓冲电路的杂散电感，缓冲电路中的R、C、VD 等元件尽量采用无感元件，从而减小尖峰电压。

3.GTO 的主要参数

GTO 的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主要参数叙述如下。

（1）最大可关断阳极电流IATO。GTO 的阳极电流允许值受两方面因素的限制：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IATO作为其容量，IATO即管子的铭牌电流。(www.xing528.com)

在实际应用中，可关断阳极电流IATO受以下因素的影响：门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数的变化等，在应用中应予特别注意。

（2）关断增益βoff。关断增益βoff 为最大可关断电流IATO 与门极负电流最大值IGM 之比，即

βoff表示GTO 的关断能力。当门极负电流上升率一定时，βoff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，βoff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，在实际应用中不必追求过高的关断增益。

（3）阳极尖峰电压UP。阳极尖峰电压UP 是在GTO 关断过程中的下降时间tf 尾部出现的极值电压，如图3－6所示。UP 的大小是GTO 缓冲电路中的杂散电感与阳极电流在tf内变化率的乘积。因此，当GTO 的阳极电流增加时，尖峰电压几乎线性增加，当UP 增加到一定值时，GTO 因Poff过大而损坏。由于UP 限制可关断峰值电流的增加，故GTO 的生产厂家一般把UP 值作为参数提供给用户。

为减小UP，必须尽量缩短缓冲电路的引线，减小杂散电感，并采用快恢复二极管及无感电容。

4.GTO 门极驱动要求

设计与选择性能优良的门极驱动电路对保证GTO 的正常工作和性能优化是至关重要的，特别是对门极关断技术应特别予以重视，它是正确使用GTO 的关键。

图3－7所示为理想门极信号波形，门极电压、电流包含正向开通脉冲和反向关断脉冲，波形分析如下。

图3－7　GTO 理想门极信号波形

（1）导通触发。GTO 在按一定频率的脉冲触发时，要求前沿陡、幅值高的强脉冲触发。通常建议Ig1值为铭牌正向触发电流Ig的5～10 倍，前沿dig/dt≥5 A/μs，使管子开通时间ton和开通功耗Pon下降，内部并联的GTO 开通一致性好，导通管压降下降。强触发脉宽为10～60 μs。正脉冲宽度要足够，以保证阳极电流在触发期间超过掣住电流IL。正脉冲的后沿坡度应平缓，因为后沿过陡容易产生负的尖峰电流，使GTO 误关断。

（2）关断触发。关断GTO 不仅要从门极抽出足够大的关断电荷，而且要有足够的关断电流上升率，建议dig/dt≥10 A/μs以加速关断过程和减少元件功耗，并使GTO内部并联GTO 元件动作一致。负门极电压脉冲宽度不小于30 μs，保证可靠关断。门极关断脉冲峰值电流应大于（1/5～1/3）IATO。门极关断电压脉冲的后沿坡度应尽量缓慢，如坡度太陡，由于结电容的效应会产生一个正向门极电流使GTO 误导通。

5.可关断晶闸管的测试

（1）可关断晶闸管电极的判定。将万用表置于R×10 Ω 挡或R×100 Ω 挡，轮换测量可关断晶闸管的3 个引脚之间的电阻，如图3－8所示。电阻比较小的一对引脚是门极（G）和阴极（K）；测量G、K极之间正、反向电阻，电阻指示值较小时红表笔所接的引脚为阴极K，黑表笔所接的引脚为门极（控制极）G，而剩下的引脚是阳极A。

图3－8　可关断晶闸管电极判别

（2）判定可关断晶闸管的好坏。

①用万用表R×10 Ω 挡或R×100 Ω 挡测量晶闸管阳极（A）与阴极（K）之间的电阻，或测量阳极（A）与门极（G）之间的电阻。如果读数小于1 kΩ，说明可关断晶闸管严重漏电，器件已击穿损坏。

②用万用表R×10 Ω 挡或R×100 Ω 挡测量门极（G）与阴极（K）之间的电阻。如正、反向电阻均为无穷大（），说明被测晶闸管门极、阴极之间断路，该管也已损坏。

③可关断晶闸管触发特性测试。如图3－9所示，将万用表置于R×1 Ω 挡，黑表笔接可关断晶闸管的阳极A，红表笔接阴极K，门极G 悬空，这时晶闸管处于阻断状态，电阻应为无穷大 （），如图3－9（a）所示。

图3－9　可关断晶闸管触发特性简易测试方法

在黑表笔接触阳极A 的同时也接触门极G，于是门极G 受正向电压触发（同样也是万用表内1.5 V 电源的作用），晶闸管成为低阻导通状态，万用表指针应大幅度向右偏，如图3－9（b）所示。

保持黑表笔接A 极，红表笔接K 极不变，G 极重新悬空（开路），则万用表指针应保持低阻指示不变，如图3－9（c）所示，说明该可关断晶闸管能维持导通状态，触发特性正常。

④可关断晶闸管关断能力的初步检测。测试方法如图3－10所示。采用1.5 V 干电池一节，普通万用表一只。

图3－10　可关断晶闸管的关断能力测试

将万用表置于R×1 Ω 挡，黑表笔接晶闸管阳极A，红表笔接阴极K，这时万用表指示的电阻应为无穷大（），然后用导线将门极G 与阳极A 接通，于是G 极受正电压触发，使晶闸管导通，万用表指示应为低电阻，即指针向右偏转，如图3－10（a）所示。将门极G 开路后万用表指针偏转应保持不变，即晶闸管仍应维持导通状态，如图3－10（b）所示。然后将1.5 V 电池的正极接阴极K、电池负极接门极G，则晶闸管立即由导通状态变为阻断状态，万用表的电阻为无穷大（），说明被测晶闸管关断能力正常。

如果手头有2 只万用表，那么可将其中的一只仪表（置于R×10 Ω 挡）作为负向触发信号使用（相当于1.5 V，黑表笔接阴极K，红表笔触碰门极G），参照图3－10所示的方法，同样可以检测可关断晶闸管是否具有正常关断能力。