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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。
实验十八 GTO、MOSFET、GTR、IGBT驱动与保护电路实验一、实验目的1理解各种自关断器件对驱动与保护电路的要求。
2熟悉各种自关断器件的驱动与保护电路的结构及特点。
3掌握由自关断器件构成直流斩波电路原理与方法。
二、实验所需挂件及附件序号型号备注1 DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出〞，“励磁电源〞等几个模块。
2 DJK06 给定及实验器件3 DJK07 新器件特性实验4DJK12 功率器件驱动电路实验箱5 双踪示波器自备三、实验线路及原理自关断器件的实验接线及实验原理图如图3-27所示，图中直流电源可由控制屏上的励磁电压提供，或由控制屏上三相电源中的两相经整流滤波后输出，接线时，应从直流电源的正极出发，经过限流电阻、自关断器件及保护电路、直流电流表、再回到直流电源的负端，构成实验主电路。
图3-27 自关断器件的实验接线及原理图四、实验内容自关断器件及其驱动、保护电路的研究〔可根据需要选择一种或几种自关断器件〕。
五、实验方法1GTR的驱动与保护电路实验在本实验中，把DJK12实验挂箱中的频率选择开关拨至“低频档〞。
然后调节频率按钮，使波输出频率在“1KH〞左右。
在主电路中，直流电源由控制屏上的励磁电源输出，负载电阻R用DJK06上的灯泡负载，直流电压、电流表均在控制屏上。
驱动与保护电路接线时，要注意控制电源及接地的正确连接。
对于GTR器件，采用±5V电源驱动。
接线时，波形的输出端接GTR驱动模块的输入端，±5V电源分别接GTR电源的输入端。
实验时应先检查驱动电路的工作情况。
在未接通主电路的情况下，接通驱动模块的电源，此时可在驱动模块的输出端观察到相应的波形，调节波形发生器的频率及占空比，观测波形的变化规律。
在驱动电路正常工作后，将占空比调小，然后合上主电路电源开关，再调节占空比，用示波器观测、记录不同占空比时基极的驱动电压、GTR管压降及负载上的波形。
测定并记录不同占空比α时负载的电压平均值Ua于下表中：2GTO的驱动与保护电路实验将DJK12实验挂箱上的频率选择开关拨至“低频档〞，调节频率调节电位器，使方波的输出频率在“1KH〞左右，然后再按实验原理图接好驱动与保护电路。
GTO与GTR1 2012-2013(2)刘刚-电力电子技术教案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，使等效晶体管退出饱和。
s(2)下降时间t。
f(3)尾部时间t，残存载流子复合时间。
t通常t比t小得多，而t比t要长;门极负脉冲电流幅值越大，t越短。
fstss3、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。
2 2012-2013(2)刘刚-电力电子技术教案(1)开通时间t:延迟时间与上升时间之和。
延迟时间一般约1~2,s，上on升时间则随通态阳极电流的增大而增大。
(2)关断时间t:一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。
下off降时间一般小于2,s。
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:GTO器件额定电流。
ATO(4)电流关断增益,:最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IoffGMIATO,之比称为电流关断增益: ,offIGM,一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
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。
G T O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。
对门极关断电路的要求：GTO对作为关断脉冲的负向门极电流有很高的要求。
负向门极电流的幅值，斜率直接影响到元件的元断能力、关断时间及关断损耗。
要求门极关断回路有足够大的动力源, 回路阻抗和感抗非常小，用作门极关断回路的开关元件要有很小的内阻, 较宽的频带和较好的承受冲击电流的能力。
3．GTO的普通驱动电路
下图1为普通的GTO驱动电路原理图。
当输入信号为正脉冲时，光耦合器B导通，三极管V1截止，V2和V3导通，电源E1经R7、V3及C3(R8)触发GTO导通。
当输入信号为零脉冲时，光耦合器B截止，V1导通，V2和V3截止。
关断电路中的V4导通，V5截止，晶闸管VT经R13和R14获得触发信号并导通，电源E2经VT、GTO、R8、R15形成门极负电流使GTO关断。
电路中C1到C5为加速电容。
图1 门极可关断晶闸管驱动电路
应用这种电路驱动GTO 时，容易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。
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抑制电流上升率。
同时，为了获得合理的关断增
益，对于GTO 晶闸管响应时间来说只能施加较小的门极电流，从而导致存储时间过长(20us)，造成关断不同步，du/ dt 耐量低, 并需要体积庞大的吸收电容。
因此，这种电路的最高开关频率一般限制在300—500Hz 。
下面介绍新型的“硬驱动门极驱动技术”。
4.“硬驱动”门极驱动技术
所谓GTO 晶闸管的“硬驱动”是指在GTO 在关断过程中的短时间内，给其内阴极加以上升率di/dt 及幅值都很大的驱动信号。
图2是硬驱动门极单元的典型电路。
它可分成两部分，上部分电路控制开通过程，下部分电路控制关断过程, 且两部分独立工作。
电路设计时应使其电感最小值化，LG 为杂散电感。
其工作过程分析如下：在开通期间，电容通过开关10S 放电，在约250ns 内产生
1000A 的硬驱动门极电流。
门极电流通过二极管维持在高水平，然后通过
11S 由
5V 电源维持。
在较大门极电流脉冲作用下，GTO 晶闸管等效原理电路中N-P-N 晶体管开通，N 发射区注入电子，并输送到N 基区，产生相应空穴注入。
空穴电荷区开始崩缩，阴极电压在100 ns 内下降到VA< 200V 。
此时，主电流仍很小，这就意味着晶体管作用强于晶闸管作用。
在关断期间，电容C2通过开关20
S 吸收数千安培的大电流脉冲，电流脉冲的上升时间约为1.5us 。
另外，开关21S 用来维持器件的阻断状态。
图2 新型“硬驱动”门极单元简图
5.小结
GTO 晶闸管既具有普通晶闸管的优点，同时又具有GTR 的优点，是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件，设计与选择性能优良的门极驱动电路对保证GTO 的正常工作和性能优化是至关重要的，特别是门极关断技术应特别重视，它是正确使用GTO 的关键。
