2.4 门极关断晶闸管

门极关断晶闸管简称为GTO（Gate-Turn-Off）晶闸管，严格地讲也是晶闸管的一种派生器件，但通过在门极施加足够大的负的脉冲电流可以使其关断，因而属于全控型器件。它的开关性能虽然比绝缘栅双极型晶体管、电力场效应晶体管差，但其具有一般晶闸管的耐高压、电流容量大以及承受浪涌能力强的优点。因此，GTO晶闸管成为大、中容量变流装置中的一种主要开关器件。

2.4.1 GTO晶闸管的结构和工作原理

GTO晶闸管和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极、阴极和门极。但内部和普通晶闸管有着本质的区别，GTO晶闸管内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO晶闸管单元，这些小GTO晶闸管单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，所以GTO晶闸管是一种多单元的功率集成器件。图2-13a和b分别给出了典型的GTO晶闸管各单元阴极、门极间隔排列的图形和其并联单元结构的断面示意图，图2-13c是GTO晶闸管的电气图形符号。

与普通晶闸管一样，GTO晶闸管的工作原理仍然可以用如图2-5所示的双晶体管模型来分析。当GTO晶闸管阳极加正向电压时，门极加正向触发信号，管子导通，导通过程与普通晶闸管的正反馈过程相同。GTO晶闸管与普通晶闸管不同的是：①在设计器件时使得 α ₂ 较大，这样晶体管V ₂ 控制灵敏，使得GTO晶闸管易于关断。②GTO晶闸管导通时的 α ₁ + α ₂ 更接近于1，这样使GTO晶闸管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了有利条件。当然，负面的影响是导通时管压降增大了。③多单元集成结构使每个GTO晶闸管元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P ₂ 基区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

所以，GTO晶闸管的导通过程与普通晶闸管是一样的，有同样的正反馈过程，只不过导通时饱和程度较浅。而GTO晶闸管关断时，在门极加反向电流信号，管中的 I _C1 电流由门极抽出，此时V ₂ 晶体管的基极电流减少，使 I _C2 也减少，于是 I _C1 进一步减少，如此也形成强烈的正反馈，最后导致其阳极电流消失而关断。普通晶闸管之所以不能自关断，是因为不能从远离门极的阴极区域内抽出足够大的门极电流。

GTO晶闸管的多单元集成结构除了对关断有利外，也使得其比普通晶闸管导通更快，承受d i /d t 的能力更强。

2.4.2 GTO晶闸管的基本特性

GTO晶闸管的阳极伏安特性与普通晶闸管的阳极伏安特性相似，而门极伏安特性则有很大区别。GTO晶闸管的门极伏安特性如图2-14所示。

GTO晶闸管在阻断情况下，逐渐增加门极正向电压，门极电流随着增加，如曲线①段所示。当门极电流增大到导通门极电流 I _GF 时，因阳极电流的出现，门极电压突增，特性由曲线①段跳到曲线②段，管子导通。导通时门极电压跳变大小与阳极电流大小有关，电流越大电压增幅越大。

在导通的情况下，欲关断晶闸管，可给门极加反向电压。此时，门极特性的工作点可按不同的阳极特性曲线，从第Ⅰ象限经第Ⅳ象限到达第Ⅲ象限。当门极反向电流达到一定值时，晶闸管关断。在关断点上，门极特性再次发生由曲线③段到④段的跃变。此时门极电压增加，门极电流下降。在完全阻断时，门极工作在反向特性曲线④上。由门极伏安特性可以看出，GTO晶闸管的阳极电流越大，关断时所需门极的触发脉冲电流越大。

讨论GTO晶闸管的动态特性，就是分析器件在通、断两种状态之间转换的过程。GTO晶闸管导通和关断过程中，门极电流和阳极电流波形如图2-15所示。

GTO晶闸管导通时与普通晶闸管类似，在阳极加正电压，门极加正触发信号，当阳极电流大于擎住电流后完全导通。导通时间包括延迟时间 t _d 和上升时间 t _r 。导通损耗主要取决于上升时间，为了减少损耗应采用强触发控制。

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，即储存时间 t _s ，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，阳极电流逐渐减小时间，即下降时间 t _f ；最后还有残存载流子复合所需时间，即尾部时间 t _t 。

通常， t _f 比 t _s 短得多，而 t _t 比 t _s 要长，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， t _s 就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在 t _t 阶段仍能保持适当的负电压，从而缩短尾部时间。

2.4.3 GTO晶闸管的主要参数

GTO晶闸管的许多参数与普通晶闸管对应的参数意义相同。在此仅介绍意义不同的参数。

1.最大关断阳极电流 I _ATO

最大关断阳极电流 I _ATO 是表示GTO晶闸管额定电流大小的参数。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。在实际应用中， I _ATO 随着工作频率、阳极电压、阳极电压上升率、结温、门极电流波形和电路参数的变化而变化。

2.电流关断增益 β _off

电流关断增益 β _off 是指最大可关断阳极电流 I _ATO 与门极负脉冲电流 I _GM 最大值之比。它是表征GTO晶闸管关断能力大小的重要参数。 β _off 一般很小，数值为3～5，因此关断GTO晶闸管时，需要门极负脉冲电流值很大，这是它的主要缺点。例如，一个1000A的GTO晶闸管，关断时门极负脉冲电流的峰值达200A，这是一个相当大的数值。

另外需要指出的是，不少GTO晶闸管都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应与电力二极管串联使用。 2Ec3Rz+iJFyNfyX5KbkrIoCT7oiPyU8pWDpjksUDGst319dHoqzoU2UY2gLL62UI