全控型器件解析：门极可关断晶闸管GTO

"第2章 2.4典型全控型器件.ppt" 本文将深入探讨全控型电力电子器件中的重要代表——门极可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor，简称GTO），这是一种在20世纪80年代以来推动电力电子技术发展的关键元件。与传统的晶闸管不同，GTO具备门极控制关断的能力，因此被称为全控型器件。 门极可关断晶闸管GTO实际上是从晶闸管发展而来的一种特殊类型，它由PNPN四层半导体结构构成，具有多元功率集成的特点。GTO的内部包含多个共阳极的小GTO单元，这些单元的阴极和门极在内部并联，形成一个整体。GTO的电气图形符号显示了这种内部结构，包括各单元的阴极、门极的间隔排列以及并联单元结构的断面示意图。 GTO的工作原理可以借助双晶体管模型进行理解，类似于图2-8所示，由两个晶体管V1和V2组成，它们的共基极电流增益分别为α1和α2。当α1+α2等于1时，器件处于临界导通状态，大于1则导通，小于1则关断。GTO的设计着重于提高α2，以实现更灵敏的门极控制，便于关断。同时，导通时保持α1+α2接近1，使得GTO在导通状态下接近临界饱和，有利于门极控制关断，尽管这会导致导通时的管压降增加。GTO的多元集成结构使得P2基区的横向电阻极低，能够从门极抽取较大的电流来辅助关断。 GTO的导通过程与普通晶闸管相似，只是导通时的饱和程度较浅。在关断过程中，门极会施加负脉冲电流，从而减少晶体管发射极电流IA和IK，当α1+α2小于1时，器件退出饱和状态而关断。由于GTO的多元集成结构，它的开通速度更快，能够承受更高的di/dt（电流变化率）。 GTO的动态特性主要体现在开通过程和关断过程。开通过程与普通晶闸管类似，而关断过程则涉及到三个时间参数：储存时间ts、下降时间tf和尾部时间tt。其中，tf通常远小于ts，tt则比ts更长。门极负脉冲的幅值和前沿陡峭度对关断速度有直接影响，更大的负脉冲电流和陡峭的前沿脉冲可以缩短ts。在tt阶段，门极负脉冲的后沿应缓慢衰减，以确保器件完全关断。 门极可关断晶闸管GTO因其独特的全控特性、高开关速度和较强的电流处理能力，成为电力电子系统中的重要组件，广泛应用于大功率直流电机调速、变频器、逆变器和高压直流输电等领域。然而，GTO的关断控制复杂且需要精确的门极驱动电路，这也是其在实际应用中需要考虑的关键问题。