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1、电 力 电 子 技 术,Power Electronics,门极可关断晶闸管（GTO，Gate Turn off Thyristor），具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大等，同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。 GTO开关时间在几s至几十s之间，是目前容量唯一与晶闸管接近的全控型器件，适用于开关频率为数百至几千Hz的大功率场合。 目前GTO已被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装置中。,2.5 可关断晶闸管（GTO）,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.
2、5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,GTO的外部管脚与普通晶闸管相同，也有阳极A、阴极K和门极G三个电极，其外形、结构断面示意图和电气符号如图2-18所示。和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件，内部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。,图
3、2-18 GTO的外形、结构断面示意图和电气图形符号 a) 封装 b) 结构断面示意 c) 电气图形符号,2.5.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,工作原理： 与普通晶闸管一样，
4、可以用下图所示的双晶体管模型来分析 1+2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断 在GTO的等效晶体管结构中，根据式（2-6）可推导出在门极电流为负时，,2.5.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型
5、电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.5.1 基本结构和工作原理,off定义为GTO的电流关断增益。若off太大，则GTO处于深度饱和，不能用门极抽取电流的方法来关断。因此在允许范围内，要求1+2尽可能接近1，且2要大。 导通过程:与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 关断过程： 强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流 当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强,
6、目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.5.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.
7、1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： （1）设计电流增益2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断 （2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大 （3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极
8、间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流,图2-19 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的特性与晶闸管大多相同，但也有其特殊性。 开通过程与普通晶闸管类似，开通过程中需要经过延迟时间td和上升时间tr。 关断过程则有所不同： 首先需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的储存时间ts，从而使等效晶体管退出饱和状态； 然后是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小的下降时间tf； 最后还有残存载流子复合所需的尾部时间tt。,2.5.2 可关断晶闸管特性,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管
9、（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,门极负脉冲电流与时间量的关系： 脉冲电流的幅值愈大、前沿越陡，存储时间ts 就越短； 脉冲电流后沿陡度越缓慢，门极依然保持适当负电压，则复合时间tt可以缩短。,储存时间,下降时间,尾部时间,GTO也是电流型驱动器件，用门极正脉冲可使GTO开通，门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的
10、优点。 电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。,2.5.2 可关断晶闸管特性,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10
11、 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,根据GTO的导通和关断机理，GTO要求有正的触发脉冲电流使其导通，有负的脉冲电流使其关断，并不需要有持续的正、负电流保持其通态和断态。 但在实际应用中，在GTO正常导通情况下，为降低GTO的正向压降，可继续维持一定的门极驱动电流，这对于克服GTO的擎住电流较大的缺点也是有利的。 关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。,2.5.3 可关断晶闸管的驱动,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5
12、.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,理想的GTO的门极电压和电流波形如图2-20b所示。 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，储存时间就越短。 若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在尾部时间阶段仍能保持适当的负电压，可以缩短尾部时间。,理想的门极电流波形,2.5.3 可关断晶闸管的驱动,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础
13、2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,GTO的驱动电路如图所示，开关S1闭合时，门极正电流流通，GTO导通；开关S2闭合时，门极反电流流过，GTO关断。在GTO关断时，门极驱动电路的阻抗要极小，以便获得较陡的峰值高的门极反电流。,驱动电路,2.5.3 可关断晶闸管的驱
14、动,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,GTO保留了晶闸管的大部分特点，是高压大功率领域难得的全控性器件。 但其控制灵活性差、对驱动电路要求很高，器件很小的引线电感都会影响驱动效果，而且工作频率较低，同时
15、GTO的通态管压降比较大，导通损耗大，因此通常只在特大功率场合使用GTO。,2.5.4 可关断晶闸管的应用特点,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.5.1基本结构和工作原理 2.5.2可关断晶闸管特性 2.5.3可关断晶闸管的驱动 2.5.4可关断晶闸管的应用特点 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,电力晶体管（GTR，Giant Transistor），
16、是一种双极（结）型大功率高反压晶体管，因此电力晶体管也简称BJT。 国际电工委员会（IEC）已规定电力晶体管用BJT缩写来表示，但由于GTR叫法已成习惯，故本书也遵循此习惯。 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代 与普通的双极结型晶体管基本原理一样 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 目前常用GTR器件：单管、达林顿管、模块。,2.6 电力晶体管,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.6.1基本结构和工作原理 2.6.2GTR特性及主要参数 2.6.3电力晶体管的驱动 2.6.4电力晶体管的应用特点 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力
