门极可关断晶闸管的特点与应用

GTO（Gate-Turn-off Thyristor）是门极可关断晶闸管的简称，它虽然是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流而关断，因而属于全控型器件。

（1）GTO 的结构和工作原理

GTO 和普通晶闸管一样，是PNPN 四层半导体结构，外部也是引出阳极、阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO 是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出3 个极，但内部则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关断而设计的。GTO 的内部结构和电气图形符号如图1.20 所示。

GTO 的工作原理仍然可以用图1.13 所示的双晶体管模型来分析，V1、V2 的共基极电流增益分别是a1、a2。a1+a2=1 是器件临界导通的条件，大于1 导通，小于1 则关断。

图1.20　GTO 的内部结构和电气图形符号

GTO 与普通晶闸管的不同点是：

①设计α2 较大，使晶体管V2 控制灵敏，易于GTO 关断。

②导通时α1+α2 更接近1。普通晶闸管设计为α1+α2≥1.15，而GTO 设计为α1+α2≥1.05导通时饱和程度不深，更接近临界饱和，有利于门极控制关断，但导通时管压降增大。

③多元集成结构，使得P2 基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

GTO 的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA 和IK 的减小使α1+α2<1 时，器件退出饱和而关断。

GTO 的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt 的能力更强。

（2）GTO 的动态特性

GTO 的开通过程与普通晶闸管类似，需要经过延迟时间td 和上升时间tr。关断过程有所不同，需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间——存储时间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，阳极电流逐渐减小的时间——下降时间tf；最后还有残存载流子复合所需要时间——尾部时间tt。(www.xing528.com)

通常tf 比ts 小得多，而tt 比ts 要长。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，ts 就越短，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。GTO的动态特性如图1.21 所示。

图1.21　GTO 的开通和关断过程电流波形

（3）GTO 的主要参数

GTO 的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。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：用来标称GTO额定电流。

②电流关断增益boff：最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。boff一般很小，只有5 左右，这是GTO 的一个主要缺点。

③开通时间ton：延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般为1～2 μs，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。

④关断时间toff：一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。GTO 的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2 μs。

另外需要指出的是，不少GTO 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。

目前GTO 在电气轨道交通动车的斩波调压调速中大量使用，其额定电压和电流可达6 000 V、6 000 A 以上，容量大是其主要特点，而额定电压9 000 V 的GTO 也已经问世。

表1.3 为ABB 公司生产的5SGF40L4502 型GTO 的额定参数。

表1.3　5SGF40L4502 型GTO 的额定参数