GTO驱动电路

四种典型全控型器件的比较四种典型全控型器件的比较一、 对四种典型全控型器件的介绍1、门极可关断晶闸管(GTO ) 1）GTO 的结构与工作原理芯片的实际图形 GTO 结构的纵断面 GTO 结构的纵断面 图形符号GTO 的内部结构和电气图形符号2）工作原理：设计α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。

导通时α1+α 2= 1.05更接近1，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。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

下图为工作原理图。

22222、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)内部结构电气图形符号NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号2）工作原理：在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。

晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜0)时处于截止状态。

因此，给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)1）电力MOSFET的结构MOSFET元组成剖面图图形符号电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。

2)电力MOSFET的工作原理：当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。

如果在栅极和源极间加正向电压U GS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。

但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。

当u GS大于某一电压值U GS(th)时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。

GTO驱动电路门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电⼒电⼦器件驱动电路简介电⼒电⼦器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接⼝，可使电⼒电⼦器件⼯作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减⼩开关损耗，对装置的运⾏效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

⼀些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。

驱动电路的基本任务：按控制⽬标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；⼜要提供关断控制信号。

门极可关断晶闸管简称GTO, 是⼀种通过门极来控制器件导通和关断的电⼒半导体器件，它的容量仅次于普通晶闸管，它应⽤的关键技术之⼀是其门极驱动电路的设计。

门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，⽽门极关断技术应特别予以重视。

门极可关断晶闸管GTO的电压、电流容量较⼤，与普通晶闸管接近，因⽽在兆⽡级以上的⼤功率场合仍有较多的应⽤。

2.GTO驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不⾼。

GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

⽤理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提⾼开关速度，减少开关损耗。

GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很⼤幅度的负脉冲电流使其关断。

因此全控器件GTO的驱动器⽐半控型SCR复杂。

门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, ⽽且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, ⼯作频率、最⼤重复可控阳极电流等⼀系列重要指标。

门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。

GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流⽐普通晶闸管⼤得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要⼤⼤加宽。

此外, 普通晶闸管的通态压降⽐较⼩, 当其⼀旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降,门极通常仍需保持⼀定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗⽐普通品闸管的触发电路要⼤的多。

四种典型全控型器件的比较四种典型全控型器件的比较一、 对四种典型全控型器件的介绍1、门极可关断晶闸管(GTO ) 1）GTO 的结构与工作原理芯片的实际图形 GTO 结构的纵断面 GTO 结构的纵断面 图形符号GTO 的内部结构和电气图形符号2）工作原理：设计α2较大，使晶体管V2控 制灵敏。

导通时α1+α 2= 1.05更接近1，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。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

下图为工作原理图。

2222R NPNPNPA G SK E GI G E AI K I c2I c1I A V 1V 2b)2、电力晶体管(GTR) 1）电力晶体管的结构：内部结构电气图形符号NPN型电力晶体管的内部结构及电气图形符号2）工作原理：在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。

晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作在正偏(I b＞0)时大电流导通；反偏(I b＜0)时处于截止状态。

因此，给GTR的基吸施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

3、电力场效应晶体管(Power MOSFET)1）电力MOSFET的结构MOSFET元组成剖面图图形符号电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。

2)电力MOSFET的工作原理：当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。

如果在栅极和源极间加正向电压U GS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。

但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。

当u GS大于某一电压值U GS(th)时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。

1997年第1期机 车 电 传 动№1,1997 1997年1月10日EL ECTR I C DR I V E FOR LOCOM O T I V E Jan.10,1997收稿日期:19962082283“八五”国家重点科技攻关项目的子项目。

梁克宇　1969年生,1991年毕业于西南交通大学电力牵引与传动控制专业,工程师,现主要从事半导体变流技术研究。

大功率GTO使用时的两个关键技术3铁道部科学研究院(北京100081) 梁克宇 摘　要:介绍了大功率GTO使用时其吸收电路和驱动电路的设计要求,并阐述了几种不同的吸收电路以及驱动电路设计中应注意的隔离、抗干扰及GTO状态检测等问题。

关键词:吸收电路　驱动电路　大功率GTOTwo key techn iques i n h igh power GT O appl ica tionCh ina A cadem y of R ail w ay Science(B eijing100081) L i ang KeyuAbstract:T he design requ irem en ts fo r snubber circu its and driving circu its in h igh pow er GTO app licati on are in troduced.A t2 ten ti on shall be paid to the iso lati on,an ti2in terference and GTO state exam inati on du ring design of several snubber circu its and driv2 ing circu its.Key words:snubber circu it,driving circu it,h igh pow er GTO. GTO是高压大电流双极型全控器件。

与传统的晶闸管相比,GTO的工作频率较高且具有关断能力,无需辅助换流回路,这使主电路体积和重量都大大减小,效率提高,可靠性增强。

门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电力电子器件驱动电路简介电力电子器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接口，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。

驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；又要提供关断控制信号。

门极可关断晶闸管简称GTO, 是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件，它的容量仅次于普通晶闸管，它应用的关键技术之一是其门极驱动电路的设计。

门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，而门极关断技术应特别予以重视。

门极可关断晶闸管GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不高。

GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

用理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提高开关速度，减少开关损耗。

GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很大幅度的负脉冲电流使其关断。

因此全控器件GTO的驱动器比半控型SCR复杂。

门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, 而且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, 工作频率、最大重复可控阳极电流等一系列重要指标。

门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。

GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流比普通晶闸管大得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要大大加宽。

此外, 普通晶闸管的通态压降比较小,当其一旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降, 门极通常仍需保持一定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗比普通品闸管的触发电路要大的多。

2.4 典型全控型器件（第三讲）GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。

2.4.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管：是晶闸管的一种派生器件，属于电流驱动型器件，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。

GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

1、GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极，符号如图1所示。

GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。

GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

2、GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管相同。

关断过程：与普通晶闸管有所不同，开通和关断过程电流波形如图2所示。

图1 GTO的元件符号图图2开通和关断过程电流波形（1）储存时间t s，使等效晶体管退出饱和。

（2）下降时间t f。

（3）尾部时间t t，残存载流子复合时间。

通常t f比t s小得多，而t t比t s要长；门极负脉冲电流幅值越大，t s越短。

3、GTO的主要参数许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。

（1）开通时间t on ：延迟时间与上升时间之和。

延迟时间一般约1~2μs ，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。

（2）关断时间t off ：一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。

下降时间一般小于2μs 。

不少GTO 都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。

（3）最大可关断阳极电流I ATO ：GTO 器件额定电流。

（4）电流关断增益βoff ：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值I GM 之比称为电流关断增益：I I GMATO off =β βoff 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 。

浅谈门极可关断!"#$%晶闸管的&硬驱动’技术西安石油学院李宏摘要(文章介绍了门极可关断"#$晶闸管的&硬驱动’技术之优点)分析了&硬驱动’技术作用下"#$晶闸管的工作特点)剖析了&硬驱动’条件下"#$的关断波形)给出了&硬驱动’门极电路的典型结构*关键词("#$晶闸管硬驱动门极电路+,-.-/01234/025678095/5:;126<29=->-8?/5,5@3:52A >B >?329C 052D E F G H IJ K C 02180(#L M N O P N H Q N I M G R L N S OO S E P M Q M T L H G U G I V R G S "#$Q L V S E W Q G S E W O E W T X W W M OE HQ L E W Y N Y M S Z [G Q G H U V Q L M "#$Q L V S E W Q G S \W ]G S ^E H I Y N S Q E T X U N S E Q V X H O M S Q L M L N S O O S E P M Q M T L H G U G I V _X Q N U W G Q L M Q X S H G R R ]N P M W W L N Y M G R "#$Q L V S E W Q G S X H O M S Q L M L N S O O S E P M T G H O E Q E G H N S M N H N U V W M O Z ‘X S Q L M S Q L M Q V Y E T N U W Q S X T Q X S M G R L N S O O S E P M I N Q M T E S T X E Q E W N U a W GI E P M HZ b -3c 526C ("#$Q L V S E W Q G S L N S OO S E P M I N Q M T E S T X E Qd 引言门极可关断"#$晶闸管是如今人类可以使用的容量仅次于普通晶闸管的电力半导体器件)它应用的关键技术之一是其门极驱动电路的设计*门极驱动电路设计不好)常常造成"#$晶闸管的损坏)门极驱动电路的复杂性)严重制约了"#$晶闸管的大面积应用)其主要原因是过去使用的"#$晶闸管门极驱动电路的下述固有不足所决定*d %应用传统的门极驱动电路驱动"#$晶闸管时)造成大容量"#$晶闸管内部数个并联的小"#$晶闸管开通过程中先是局部几个单元开通)然后等离子体在整个芯片内向边沿扩展*横向扩展使阳极电流上升率限制在Oef Oghij jk fl W 内*最初较高的电流上升率可能使最先导通的区域过载而导致器件损坏)因此必须采用较大的抑制电感来限制电流上升率*m %为获得数值为n oi 的合理关断增益)对于"#$晶闸管响应时间来说只能施加较小的门极电流)从而导致其存储时间过长!约m j l W %)造成关断不同步)O p f O g 耐量低)并需要体积庞大的吸收电容*正是由于这些原因)采用传统&软驱动’技术的"#$晶闸管应用中的最高开关频率一般限制在n j j o i j j F q )同时因门极驱动电路造成串联元件的关断时间不同而难于串联使用*为解决这些棘手的问题)促使了&硬驱动’门极驱动技术的发展)并已证明双极型器件的门极&硬驱动’能够改善其关断特性)使被&硬驱动’的器件开关速度比r$s ‘t #和u "v #的开关速度快得多)损耗也低得多*本文介绍有关&硬驱动’的一些问题*m &硬驱动’门极驱动技术简介m Z d &硬驱动’门极驱动技术的优点所谓"#$晶闸管的&硬驱动’是指在"#$晶闸管关断过程中的短时间内)给其门阴极加以上升率O e "f O g 及幅值都很大的驱动信号)目前&硬驱动’技术已能用于大功率"#$晶闸管的门极驱动)它能向n j j j k "#$晶闸管提供足够的门极关断电流)在O e f O g wn j j j k f l W 的条件下其关断驱动电流x S I ywn j j j k )可将被驱动"#$晶闸管的存储时间降至hm l W zd j j H W *几乎做到了同步开关)从而获得方形安全工作区和器件的无吸收工作)使"#$晶闸管的工作状况几乎可与u "v #相媲美*&硬驱动’技术的优点表现在以下几方面*d %可使被驱动器件的存储时间下降至d l W左右或基本得以消除*驱动多个并联或串联的器件时)可使各器件存储时间的差异h d l W )使"#$晶闸管的各个参数例如最大关断电流将像希望的一样与器件面积成正比)因此无需大的吸收电容或复杂的O e f O g抑制电路及调时电路和O p f O g抑制用吸收电容*j{电气传动m j j d 年第{||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||期!"可使#$%晶闸管器件的关断能力大大超过其额定值&系统设计者可根据应用要求在开通频率和功率控制能力之间加以选择&以达到一种合适的组合’("不受#$%晶闸管的等级和型号的限制&这极大地方便了设备的制作和维护&因为串联电路上的器件无需具备一致的存储时间’可使许多#$%晶闸管开关的应用问题得以解决&同时降低了损耗&改善了性能’!)!*硬驱动+门极技术作用下#$%晶闸管的工作过程分析!)!),关断过程采用-.#/-0高达(1112/34的门极脉冲&#$%晶闸管的存储时间可从!134下降至约,345见图,所示"’应当控制强关断脉冲的幅值&以避免在门阴结中产生雪崩击穿’由于主阻断结空间电荷区扩展形成的位移电流将叠加到阳极电流中&所以门极峰值电流有可能超过阳极电流&但关断增益仍接近于,’门极电流脉宽仅需!34&其能量与普通门极驱动电路相当’图,用硬驱动5粗线"和普通驱动5细线"情况下#$%晶闸管关断波形的比较!)!)!开通过程采用更强的门极驱动脉冲能加快开通过程&开通过程的延迟可从几34下降至几百64&电路所允许的-./-0不再受#$%晶闸管器件本身的限制&而受限于变流器支路中反并联续流二极管的关断速度&即开通过程中变流器支路的电流将由续流二极管换向到#$%晶闸管’这样能降低限流电抗器电路的-./-0&从而使损耗和费用下降’强门极脉冲将使阴极的电子注入非常均匀&在阳极电流增大之前降低#$%晶闸管器件的通态压降&从而减小器件的开通损耗’!)!)(*硬驱动+#$%晶闸管与普通门极驱动#$%晶闸管性能的比较表,列出了标准的(1112/78119#$%晶闸管采用*硬驱动+与常规*软驱动+的性能测试结果’由表,可见&开通损耗下降了:;)<=&与均匀开通的结果一样&而->/-0提高了(倍&最大可关断电流提高了,):<倍&开通延迟时间缩短了;,)<=&开通-./-0增强了:倍&吸收电容减小了?(=&存贮时间缩短了;8=’表,标准#$%晶闸管常规*软驱动+与*硬驱动+的性能比较参数普通门极单元硬驱动门极单元开通-./-052/34"811(111开通损耗@A 65B"()(,开通延迟0-534"():1)(最大关断电流C $#D 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T T 期浅谈门极可关断(GTO)晶闸管的"硬驱动"技术作者：李宏作者单位：西安石油学院刊名：电气传动英文刊名：ELECTRIC DRIVE年，卷(期)：2001，31(6)被引用次数：2次1.张立现代电力电子技术 19922.李宏晶闸管触发器集成电路实用技术大全 19993.李宏电力电子设备常用电力半导体器件和模块使用技术 19994.西安电力电子研究所最新功率器件专辑 19991.会议论文李宏.于苏华浅谈门极可关断(GTO)晶闸管的“硬驱动”技术2001本文介绍了门极可关断GTO晶闸管的“硬驱动”技术之优点,分析了“硬驱动”技术作用下GTO晶闸管的工作特点,剖析了“硬驱动”条件下,GTO的关断波形,给出了“硬驱动”门极电路的典型结构.2.期刊论文刘建芳.张彦军谈门级可关断晶闸和(GTO)的驱动电路-吉林化工学院学报2003,20(1)分析了传统驱动电路和"硬驱动"技术作用下GTO晶闸管的工作特点,并对两种电路的性能进行了比较,阐述了"硬驱动"所具有的优点,给出了传统驱动电路和"硬驱动"门极电路的典型结构.1.郭一军一种可关断晶闸管(GTO)直接门极驱动电路的研究[期刊论文]-化工自动化及仪表 2008(5)2.张婵.童亦斌.金新民IGCT及其门极驱动电路研究[期刊论文]-变流技术与电力牵引 2007(2)本文链接：/Periodical_dqcd200106018.aspx授权使用：湖南大学(hunandx)，授权号：6f6b98a1-b7c3-4486-8be8-9e1400ef0c55下载时间：2010年10月19日。

可关断晶闸管(gto)触发驱动和保护电路的研究摘要：可关断晶闸管(GTO)是一种重要的功率半导体器件，被广泛应用于电力电子领域。

然而，GTO的触发驱动和保护电路的设计与实现是一个非常复杂的问题。

本文旨在研究可关断晶闸管的触发驱动和保护电路，提出一些新的解决方案，以改善GTO的性能和可靠性。

正文：一、GTO的触发驱动电路在GTO的工作过程中，触发驱动电路起着关键的作用。

一个好的驱动电路可以保证GTO可靠地开关，并且在关闭时可以控制漏电流。

因此，我们需要设计一种高效、精确、可靠的GTO触发驱动电路。

以下是一些常见的GTO触发驱动电路：1.电压控制触发驱动电路电压控制触发驱动电路是一种常用的GTO触发驱动电路。

它的原理是通过一个信号发生器来产生一个控制信号，然后将这个信号输入到GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。

电压控制触发驱动电路的优点是简单，易于实现，但是它的精度和稳定性不如其他触发驱动电路。

2.电流控制触发驱动电路电流控制触发驱动电路是一种比较精确和可靠的GTO触发驱动电路。

它的原理是将一个电流信号送入GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。

电流控制触发驱动电路的优点是精确、可靠，但是它的实现复杂，需要使用高精度的电流源和电流传感器。

3.光耦隔离触发驱动电路光耦隔离触发驱动电路是一种可靠、安全且精确的GTO触发驱动电路。

它的原理是使用一个光耦隔离器将控制信号隔离开，并将隔离后的信号送入GTO的控制端，以控制GTO的导通和断开。

光耦隔离触发驱动电路的优点是精确、可靠、安全，但是它的成本较高。

二、GTO的保护电路GTO在工作过程中，常常会受到各种各样的干扰和故障，如过电压、过电流、电磁干扰等。

因此，我们需要设计一种可靠的保护电路来保护GTO的正常工作。

以下是一些常见的GTO保护电路：1.过电压保护电路过电压保护电路是一种常见的GTO保护电路。

它的原理是使用一个电压传感器来检测GTO的电压，一旦电压超过设定值，就会触发一个保护电路，将GTO断开以保护它的安全。