2.5 门极关断（GTO）晶闸管

门极关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor，GTO）^[3]是高电压大电流全控制器件，目前国际上GTO的最大容量为6000V/6000A、9000V/2500A，工作频率为1.5kHz。与传统的晶闸管相比，GTO的工作频率较高，且具有自关断能力，省去了强迫换相电路，所以整机体积小、重量轻、效率高、可靠性增加。在300kW以上的大容量变流设备中，GTO发挥了高电压大电流的优势，在机车牵引传动、交流电动机变频调速、不间断电源和直流斩波调速等领域被广泛使用。

2.5.1 GTO的关断机理

GTO与SCR在体内结构方面都是PNPN四层半导体三端的结构，它们的导通机理是相同的，只要在阳极与阴极间加正向电压，门极与阴极间加正向触发信号，则器件通导。下面简单叙述一下GTO的关断原理。

图2-31为GTO的工作电路简图。A、K和G分别为GTO的阳极、阴极和门极，E_A和R_K分别为工作电压和负载电阻；E_G1和R_G1分别为正向触发电压和限流电阻；E_G2和R_G2分别为反向关断电压和限流电阻。当S置于1时，GTO导通，阴极电流I_K=I_A+I_G。当S置于2时，GTO关断。图2-32为GTO的关断机理示意图。实际上，GTO内部也是由很多个元胞并联组成，每个元胞的阴极均被周围的门极所包围，图2-32示出的是器件内一个元胞的断面图，它也是一个四层三端结构。

在GTO进行门极关断时，必须在门极G和阴极K之间施加反向电压-E_G，此时，从门极G向外流出电流，即反向门极电流-I_G，反向门极电压-E_G排除了P₂区非常平衡空穴载流子的积累，还阻止了N₂区发射极非平衡电子流的注入。反向门极电流-I_G的流动意味着P₂基区中的过剩空穴通过门极流出器件，而电子则通过J₃结从阴极排出。随着空穴和电子的被排除，在J₃结的附近形成了耗尽层（见图2-32）。此耗尽层从阴极靠近门极的区域逐渐向阴极中心部分扩展。这样，从N₂发射区没有电子注入P₂基区，在P₂区与N₂区中的过剩载流子一直复合到消灭为止，J₃结如能维持反偏置状态，为J₂结迅速恢复阻断能力创造条件，只要J₂结恢复了反向阻断能力，GTO就被关断。实际上，控制GTO的关断是比较复杂的。关键是它关断时需要施加一个较大的反向门极电流。关断时，由于阳极电流的下降速度很快，即使在缓冲器中有很小的漏感，也会引起阳极的尖峰电压，这个尖峰电压会产生二次击穿。此外，GTO关断时，在阳极-阴极间的电压上升时，阳极的拖尾电流会引起较大的功率损耗。所以，GTO电路设计时应有适当的缓冲器，以避免上述问题的产生。由于较高的缓冲器损耗，使GTO的开关频率限制在1～2kHz以内。为了解决这个问题，有人正在研究无损耗的缓冲器。

图2-31 GTO工作电路简图

图2-32 GTO的关断原理

2.5.2 GTO的电特性

1.GTO的导通特性

GTO的导通原理和SCR相同，图2-33为GTO导通电路图。当阳极加正电压，门极加正向触发信号时，GTO很快进入饱和导通。具体过程如下：

若门极注入电流I_G足够大，N₁P₂N₂晶体管发射极电流增加，a₂增大，进而使P₁N₁P₂晶体管发射极电流增加，a₁增大。当a₁+a₂>1后，两个晶体管均饱和导通，这时GTO导通，显而易见，GTO导通的必要条件是

a₁+a₂≥1（2-9）为使a₁+a₂>1，注入的门极电流I_G必须满足

图2-33 GTO导通电路图

式中 I_A——GTO的阳极电流；

I_G——门极注入电流。

当GTO门极注入电流I_G为正时，若不满足导通条件，虽有反馈作用，但器件仍然不能饱和导通。这是因为门极电流较小，不能满足a₁+a₂>1的条件。此时阳极电流维持在一个较小的确定值。当门极电流中断之后，阳极电流也就中断。a₁+a₂=1时，阳极电流为临界电流，称为GTO的闭锁电流。当门极加入足够大的正触发信号时，只有阳极电流大于闭锁电流之后，GTO才能维持大面积饱和导通。当阳极电流小于或等于闭锁电流时，GTO相当于四层晶体管。

由以上的分析可知，GTO导通条件为a₁+a₂＞1。因此引起a₁和a₂增大的任何参数变化，都可能使GTO触发导通。比如，阳极电压过高，阳极电压上升率du/dt过大，器件结温超过允许值，以及火花振荡触发等因素均可使回路增益a₁+a₂＞1，所以在应用中要避免发生这种非门极触发因素。

2.GTO的关断特性

GTO的关断方式与SCR不同，图2-34、图2-35分别是GTO的关断电路与关断时阳极和门极电流波形。我们来简单分析一下GTO关断情况。合上开关S，门极就加上了负偏置电压E_G，P₁N₁P₂晶体管的集电极电流被“抽出来”，形成了门极负电流（-I_G）。由于I_C1被“抽走”，N₁P₂N₂晶体管基极电流减小，因而它的集电极电流I_C2也减小，于是引起I_C1进一步下降。由于GTO导通时a₁远小于1，所以P₁N₁P₂晶体管集电极电流I_C1只是总的阳极电流的很小一部分。设法抽掉这部分电流即可使GTO关断。

图2-34 GTO的关断电路

图2-35 关断时，阳极和门极电流波形

当门极负电流I_G达到最大值时，器件内a₁+a₂≤1，正反馈作用停止，阳极电流逐渐下降到零。由此可知，GTO关断条件为

a₁+a₂＜1（2-11）关断时需要抽出的最大门极负电流为

式中 I_ATO——被关断的最大阳极电流；

-I_G——抽出的门极电流。

为什么SCR不能自关断而GTO就可以自关断呢？这是因为当SCR导通之后处于深度饱和状态，用从门极抽出阳极电流的办法不可能使其关断；而GTO导通之后，是处于临界饱和状态，所以可用抽出部分阳极电流的方法，破坏临界导通状态，使器件关断。当GTO关断之后，若门极电压高于阴极PN结反向雪崩电压时，将会产生反向雪崩电流。该电流在图2-34中用i_GO表示。

2.5.3 GTO的主要参数

1.最大可关断阳极电流I_ATO

I_ATO是GTO的一个特征参数，通常用其标称GTO的容量。如3000A/4500V的GTO就是指最大可关断阳极电流为3000A，耐压为4500V。由式（2-11）可知，最大可关断阳极电流为

式中 I_GM——GTO关断时门极负电流的最大值（绝对值）。

当门极负电流I_GM一定时，为提高I_ATO和β_off，则要求a₂尽可能大；因为a₂大，可使N₁P₂N₂晶体管灵敏，即GTO门极控制灵敏，关断时抽取电流快，可提高关断电流增益；而当阳极电流过大时，（a₁+a₂）略大于1的临界值，GTO饱和程度加深，门极难以关断。所以，GTO的阳极电流不应超过最大可关断阳极电流I_ATO。

2.关断增益β_off

关断增益β_off为最大可关断阳极电流I_ATO与门极负电流最大值I_GM之比，表示关断能力的强弱，是很重要的特征参数。

或

可见，一切影响I_ATO和I_GM的因素均会影响β_off。因为门极负电流的最大值与其上升率相关，因此，当门极负电流的上升率一定时，β_off随着可关断阳极电流的增加而增加；当可关断阳极电流一定时，关断增益随门极电流上升率di_G/dt的增加而减小。这是因为di_G/dt增大后，门极负电流的最大值也增大了。通常大功率GTO的β_off做到5左右比较合适。

3.擎住电流I_L

I_L是指门极加触发信号后，阳极导通时的临界电流。当GTO被触发导通时，若阳极电流小于I_L，GTO就不能维持大面积导通，一旦门极触发信号被撤掉，GTO就自行关断。需要指出的是，使用时I_L值过大，器件不易开通。

4.阳极平均电流I_cp

普通晶闸管的额定电流即是平均电流；而对于GTO来说，一般给出I_ATO，其平均电流可根据脉冲占空比来计算。例如3000A的GTO，若阳极电流脉冲占空比为50%，则I_cp可由下式确定：

I_cp的应用意义在于设计散热器和通风冷却装置。

5.关断时间t_off

t_off是标志GTO快速性能好坏的主要参数。它由储存时间t_s、下降时间t_f、尾部时间t_T组成，即

t_off=t_s+t_f+t_T（2-16）

通常t_s定义为从门极加负信号开始到阳极电流减小至导通电流的90%所需要的时间。t_s随门极负电流增加而缩短。门极负电流越大，电荷抽取速度越快，t_s就越短。

t_f定义为阳极电流从90%下降到10%所需要的时间。这段时间里，过剩载流子继续从门极排除，a₁和a₂继续减小，阳极电流急速下降。门极负电流越大，下降时间越短。

t_T定义为剩余载流子复合时间，即阳极电流从10%到完全关断时所需要的时间。在这段时间内，门极仍存在一定的负电流，载流子继续排除。基区少数载流子寿命越短，电荷复合消失得也越快，t_T越短。

2.5.4 GTO的发展方向

GTO晶闸管正在向以下几个方面发展。

1.高耐压化

高耐压化后，由N_b层变厚，将引起导通电压和开关损耗增大。为了解决这个问题，提出了P_in结构，它由低浓度N_b层和控制空乏层扩大的高浓度缓冲层N_b构成N层。采用这种结构可以使N层减小到原来的60%左右。

另外设有微小的环状阳极短路部，可以使占开关损耗大半的关断损耗减小到无短路器件时的60%左右。这些结构如图2-36所示。

2.大电流化

大电流化的开发所以得到进展，是因为把握了伴随大面积化的定常电流分布同关断时的电流集中的定量关系，扩大了GTO的安全动作区域。

3.高频率化

GTO的工作频率决定于器件的损耗和缓冲回路的损耗，所以极力减小这些损耗就可能指望高频化，目前已达到1～3kHz。

图2-36 GTO晶闸管的构造

正在采用阴极模式细微化和控制载流子寿命来谋求高频化。也有人提出双门极GTO的方案，但尚没有实用化。

4.高功率化

将环流二极管集成在同一硅晶片上的逆导GTO，由于装置的小型化其开发得到了急速的进展，如图2-37所示。

5.电压控制化

GTO是电流控制型器件，为克服此缺点，开发了导入MOS结构的电压控制晶闸管，如图2-38所示。导通和关断都是用MOS门极进行控制。

图2-37 逆导GTO晶闸管的构造

图2-38 MOS门极晶闸管的构造和等效电路

2.5.5 GTO的驱动

1.基本要求

GTO可以用正门极电流开通和负门极电流关断。在工作机理上，开通时与一般晶闸管基本相同，关断时则完全不一样，因此需要具有特殊的门极关断功能的门极驱动电路。理想的门极驱动电流波形如图3-39所示，驱动电流波形的上升沿陡度、波形的宽度和幅度及下降沿的陡度等对GTO的特性有很大影响。GTO门极驱动电路包括门极开通电路、门极关断电路和门极反偏电路。对GTO而言，门极控制的关键是关断。

图2-39 理想的GTO门极驱动电流波形

1）门极开通电路：GTO的门极触发特性与普通晶闸管基本相同，驱动电路设计也基本一致。要求门极开通控制电流信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓的脉冲波形。脉冲前沿陡有利于GTO的快速导通，一般dI_GR/dt取5～10A/μs；脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，减少开通损耗；脉冲有足够的宽度则可保证阳极电流可靠建立；后沿缓一些可防止产生振荡。

2）门极关断电路：已导通的GTO用门极反向电流来关断，反向门极电流波形对GTO的安全运行有很大影响。要求关断控制电流波形为前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓。一般关断脉冲电流的上升率dI_GR/dt取10～50A/μs，这样可缩短关断时间，减少关断损耗，但dI_GR/dt过大时会使关断增益下降，通常的关断增益为3～5，可见关断脉冲电流要达到阳极电流的1/5～1/3才能将GTO关断。当关断增益保持不变，增加关断控制电流幅值可提高GTO的阳极可关断能力。关断脉冲的宽度一般为120μs左右。

3）门极反偏电路：由于结构原因，GTO与普通晶闸管相比承受du/dt的能力较差，如阳极电压上升率较高时可能会引起误触发。为此可设置反偏电路，在GTO正向阻断期间于门极上施加负偏压，从而可提高承受电压上升率du/dt的能力。

2.实例

图2-40是一种直接耦合的多信号电容储能驱动电路，电路包括门极开通、门极关断及门极反偏等环节，其中u₁是GTO的开通信号，u₂是关断信号，u₃是反偏控制信号。

当u₁>0，而u₂=u₃=0时，V₁导通。GTO正向门极电流有两部分，即i_g=i_R+i_C，其中i_R是流经R₁、R₂支路上的电流，i_C是由L₁、L₂、C₁组成的串联振荡电路中的电流。C₂是加速电容，在GTO导通初期提高i_g陡度和幅度，R₂是C₂的放电电阻，VD₁可防止反向电压由C₁加到V₁上。

当u₁=0，而u₂>0，u₃>0时，V₁截止，V₂导通。C₁经L₂、V₂及GTO门极放电，产生反向关断电流，使GTO关断。L₂用来限制反向关断电流的负向上升率。GTO关断之后，L₂中的电流改为由V₂、L₃、VW、VD₄中流过，形成较缓慢的脉冲后沿，保持关断电流必要的脉宽。

当V₂导通时，V₃也同时导通，且在GTO阻断期间V₃保持导通，使GTO门极加有5V反偏压。

图2-40 直接耦合式电容储能驱动电路

图2-41所示的是由GTO构成的单管斩波主电路及其驱动保护电路的原理图。电路由±5V双极性直流电源供电，来自PWM信号发生电路的PWM脉冲由“2”端经光耦合器隔离后送入驱动电路，比较器N1将正脉冲变为正负脉冲。当N1输出高电平时，V₂导通，V₄也导通，-5V电源经L₁、R₁₅、V₄提供反向关断电流，关断GTO后，再给门极提供反向偏压；当N1输出低电平时，V₂、V₃关断，+5V电源经R₁₅、R₁₄和C₃加速网络向GTO提供开通电流，GTO导通。R_S、VD_S及C_S构成缓冲电路。

图2-41 GTO驱动及其保护电路原理图