2.3
门极可关断晶闸管

普通晶闸管（SCR）靠门极触发电流触发后，若是撤掉触发电流，晶闸管也能维持通态。欲使之关断，则必须外加反向电压，使正向电流小于维持电流 I _H 。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积质量增大，而且会降低效率，甚至会产生波形失真和噪声。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）克服了上述缺陷，其不仅保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，而且还具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO属于全控型器件（见图2.16）。大功率GTO已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出了强大的生命力。

2.3.1 GTO结构

GTO可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，属于全控型器件。如图2.17（b）所示，GTO的结构和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G 3个端子。但和普通晶闸管有所区别的是，GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，这是为了实现门极控制关断而设计的。

2.3.2 GTO工作原理

GTO的工作原理可以用2.2.2节的双晶体管模型来分析，即如图2.13所示。由P ₁ N ₁ P ₂ 和N ₁ P ₂ N ₂ 构成的两个晶体管V ₁ 和V ₂ 的共基极电流增益分别是 α ₁ 和 α ₂ 。 α ₁ ＋ α ₂ ＝1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。在设计器件时，要使 α ₂ 较大，这样晶体管V ₂ 控制灵敏，易于GTO关断；而导通时 α ₁ ＋ α ₂ 要更接近于1，即 α ₁ ＋ α ₂ ≈1.05，这样导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。因为GTO是多元集成结构，使得P ₂ 基区横向电阻很小，所以能从门极抽出较大电流。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 I _A 和 I _K 的减小使 α ₁ ＋ α ₂ ＜1时，器件退出饱和而关断。

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。GTO的多元集成结构使其比普通晶闸管开通过程更快，承受d i /d t 的能力更强。

2.3.3 GTO基本特性

如图2.18所示给出了GTO的开通和关断过程中门极电流 i _G 和阳极电流 i _A 的波形，其中， t _d 表示延迟时间； t _r 表示上升时间； t _s 表示储存时间，即抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间； t _f 表示下降时间，即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； t _t 表示尾部时间，即残存载流子复合所需时间。如图2.18所示，在开通过程中需要经过 t _d 和 t _r ；在关断过程中经过 t _s 、 t _f 和 t _t ，通常 t _f 比 t _s 小得多，而 t _t 比 t _s 大。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡， 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，则可以缩短尾部时间。

2.3.4 GTO主要参数

GTO的很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 I _ATO

最大可关断阳极电流是指利用门极脉冲可以关断的最大阳极电流值，用来标称GTO的额定电流。

（2）电流关断增益 β _off

电流关断增益是指最大可关断阳极电流 I _ATO 与门极负脉冲电流最大值 I _GM 之比，即 β _off ＝ 。 β _off 一般很小，只有5左右，大容量GTO的关断增益更小。例如，一个GTO的最大可关断阳极电流 I _ATO 为1 000 A， β _off ＝5，则关断时门极负电流 I _GM 需要达到200 A。这样大的关断电流使得GTO的驱动电路远比MOSFET、IGBT的驱动电路复杂。

（3）开通时间 t _on

开通时间表示延迟时间与上升时间之和，即 t _on ＝ t _d ＋ t _r 。 t _d 一般为1～2 μs， t _r 则随通态阳极电流值的增大而增大。

（4）关断时间 t _off

关断时间一般是指储存时间和下降时间之和，即 t _off ＝ t _s ＋ t _f ，而不包括尾部时间。 t _s 随阳极电流的增大而增大， t _f 一般小于2 μs。

目前，GTO虽然是电气容量最大的全控型器件，但由于其驱动电路复杂，开关频率低，因此，只有在大容量场合才选用GTO。GTO的主要参数见表2.3。