《电力电子技术》
论文题目：门极可关断(GTO)晶闸管的工作原理及发展前景
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指导教师：郭老师
2014年5月20日
门极可关断(GTO)晶闸管的工作原理及发展前景
引言
电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面,其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础,也是电力电子技术发展的“龙头”。

从年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代,这标志着电力电子技术的诞生。

到了70 年代,晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。

同时,非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世,广泛应用于各种变流装置。

由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点,其研制及应用得到了飞速发展。

由于普通晶闸管不能自关断,属于半控型器件,因而被称作第一代电力电子器件。

在实际需要的推动下,随着理论研究和工艺水平的不断提高,电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展,先后出现了GTR 、GTO、功率MOSET 等自关断、全控型器件,被称为第二代电力电子器件。

近年来,电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展,如GPT，MCT，HVIC等就是这种发展的产物。

1.什么是门极关断(GTO)晶闸管
1964年,美国第一次试制成功了500V/10A 的GTO。

在此后的近10年内,的容量一直停留在较小水平,只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。

自70 年代中期开始,GTO的研制取得突破,相继出世了1300V/600A 、2500V/1000A 、4500V/2000A的产品,目前已达9KV/25KA/800Hz及6Hz/6KA 的水平。

GTO有对称、非对称和逆导三种类型。

与对称下相比,非对称通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力。

逆导型GTO 是在同一芯片上将GTO 与整流二极管反并联制成的集成器件,不能承受反向电压,主要用于中等容量的牵引驱动中。

可关断晶闸管GTO其主要特点为，当栅极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

普通晶闸管（SCR）靠栅极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。

欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。

这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。

可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。

GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频率比GTR 低。

目前，GTO已达到4500A、6000V的容量。

大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。

可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件，其结构及等效电路和普通晶闸管相同，因此图1仅绘出GTO典型产品的外形及符号。

大功率GTO大都制成模块形式。

尽管GTO与SCR的触发导通原理相同，但二者的关断原理及关断方式截然不同。

这是由于普通晶闸管在导通之后即处于深度饱和状态，而GTO在导通后只能达到临界饱和，所以GTO栅极上加负向触发信号即可关断。

GTO的一个重要参数就是关断增益，βoff，它等于阳极最大可关断电流IATM与栅极最大负向电流IGM之比，有公式
βoff =IATM/IGM
βoff一般为几倍至几十倍。

βoff值愈大，说明栅极电流对阳极电流的控制能力愈强。

很显然，βoff与晶体管的hFE参数颇有相似之处。

2 门极可关断晶闸管的结构和工作原理
GTO有3个引出电极（图2）, 分别用阳极(A)、阴极(K)、门极(G)表示。

正向时，阳极和阴极间加正压，若门极无电压,则GTO阳极电压低于转折电压时不会导通；若门极加正压,则GTO在阳极电压小于转折电压时被门极触发导通(图
1b)。

GTO的关断是在门极加一定的负压，抽出负电流，使阴极导通区由接近门极的边缘向阴极中心区收缩，可一直收缩到载流子扩散长度的数量级。

因为,GTO 的阴极条宽度小,抽流时,P2区横向电阻引起的横向压降小于门、阴极的反向击穿电压。

此时,由于GTO不能维持内部电流的正反馈，通态电流开始下降，此过程经过一定时间，GTO达到关断。

可关断晶闸管特性参数
1、静态特性
（1）阳极伏安特性
（2）通态压降特性
2、动态特性
GTO的动态特性是指GTO从断态到通态、从通态到断态的变化过程中，电压、电流以及功率损耗随时间变化的规律。

（1） GTO的开通特性
当阳极施以正电压，门极注入一定电流时，阳极电流大于擎住电流之后，GTO 完全导通。

（2） GTO的关断特性
GTO的门极、阴极加适当负脉冲时，可关断导通着的GTO阳极电流。

3门极可关断晶闸管的优缺点
可关断晶闸管是一种较理想的直流开关元件，作开关时，与普通晶闸管相比，最突出的优点是：
①能自关断，不需要复杂的换流回路；
②工作频率高。

缺点是：
①同样工作条件下擎住电流大。

擎住电流指刚从断态转入通态并切除门极电流之后，能维持通态所需的最小阳极电流。

②关断脉冲对功率和负门极电流的上升率要求高。

可关断晶闸管与功率晶体管相比,其优点是：
①能实现高压、大电流；
②能耐受浪涌电流；
③开关时只需瞬态脉冲功率。

缺点是门控回路比较复杂。

4门极可关断晶闸管发展展望
大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间内，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。

因此，针对SCR的缺点，人们很自然地把努力方向引向了如何使晶闸管具有关断能力这一点上，并因此而开发出了栅极可关断晶闸管GTO。

在当前各种自关断器件中，GTO容量最大工作频率最低。

GTO是电流控制型
器件,因而在关断时需要很大的反向驱动电流。

GTO通态压降大、dV/dT/dt耐量低,需要庞大的吸收电路。

目前,GTO虽然在低于2000V的某些领域内己被GTR 和GRT等所替代,但它在大功率电力牵引中有明显优势今后,它也必将在高压领域占有一席之地。

5电力电子器件发展展望
1.已进入实用化的全控型器件将在功率等级、易于驱动和更高工作频率这三个方面继续改善和提高。

2.由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及实用化，在更多的领域，IGBT 和IGCT将取代GTO。

3.IGCT等新型混合器件将逐步得以推广应用。

4.功率集成电路将会有更进一步的发展。

这将预示着电力电子技术将跃入一个新的时代。

5.新材料的应用
砷化稼材料GaAs是一种很有发展前景的半导体材料。

与Si相比, GaAs有两个独特的优点①禁带宽度能量为1.4ev ,较Si 的101ev要高。

正因如此 , GaAs整流元件可在350 ℃的高温下工作 ,具有很好的耐高温特性,有利于模块小型化②GaAs 材料的电子迁移率为8000cm/vs ,是Si 材料的5倍,因而同容量的器件几何尺寸更小,从而可减小寄生电容,提高开关频率。

当然,由于GaAs 材料禁带宽度大,也带来正向压降比较大的不利因素,不过其电子迁移率可在一定程度上补偿这种影响。

GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用户中间,广泛用于制作各种输出电压的DC 电源,用于通信设备和计算机中。

预计,随着200V耐压整流器件生产工艺技术的改进,器件将获得优化,应用领域将会不断扩大。

碳化硅材料SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,作为Si 和GaAs的重要补充,可制作出性能更加优异的高温300一500 ℃、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。

高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车的节能具有重要意义。

己用SiC材料制作出普通晶闸管、双极晶体管、IGBT, 功率MOSFET, PN结二极管和肖特基势垒二极管,广泛运用于火车机头、有轨电车、工业发电机和高压输电变电装置中。

磷化锢材料InP是一种半导体材料,是继Si 和GaAs 之后的新一代电子功能材料。

它具有更高的击穿电场、更高的热导率、高场下更高的电子平均速度,且表面复合速率比GaAs 低几乎3个数量级,使得inPHB可在低电流下工作,可作为高速、高频微波器件的材料,频率可达340GHz 。