快速GTO(门极可关断晶闸管—可控硅)主要参数及互换演示教学

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说明
从关断到导通
1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流
两者缺一不可
维持导通
1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
从导通到关断
1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流
.
任一条件即可
12
第二节 晶闸管的特性
晶闸管阳极与阴极之间的阳极电压Ua与其 阳极电流Ia的关系，简称为晶闸管伏安特性。
任一含有直流分量的电流 波形都有以下几个参数：
1、电流平均值ITa 2、电流的有效值I 3、波形系数Kf
.
24
第2课 半导体变流技术—晶闸管
三、晶闸管的主要参数
2．晶闸管的电流参数 (1)通态平均电流ITa
平均电流Ita 有效值I为
波形系数Kf
.
I = 1.57 ITa
25
第二节 晶闸管的特性
二．晶闸管的电流参数
.
21
第二节 晶闸ITa
决定其允许电流大小的是 温度
影响晶闸管散热的因素：1晶 闸管与散热器接触的紧密程度； 2散热器的大小和冷却方式(自 冷、风冷和水冷等)；3环境温 度和冷却介质的温度等。当这 些情况不同时，晶闸管允许通 过的通态平均电流也不同。
.
22
控制极G的电流消失了，可控硅仍
然能够维持导通状态，由于触发信
号只起触发作用，没有关断功能，
所以这种可控硅是不可关断的。
由于可控硅只有导通和关断两种工
作状态，所以它具有开关特性，这
种特性需要一定的条件才能转化。
.
11
第一节 晶闸管的结构及其工作原理
二、晶闸管的工作原理 晶闸管（可控硅）导通和关断条件

13
电工电子技术
4.输出电压及电流的平均值
1 π
U UοO 1 ππα πα
u2 dt
2U2sintd(t)
1c2osα0.9U2
IO
UO RL
14
电工电子技术
11.2.2 双向晶闸管及其交流调压
双向晶闸管和普通晶闸管一样，也有塑料封装
型、螺栓型和平板压接型等几种不同的结构。塑料
封装型元件的电流容量只有几安培，目前，台灯调
四 A层
半
导
G
体
K
(a) 外形 (b) 符号
A 阳极
三
P1
个
PN
N1
结
P2
GG
控制极
N2
(c) 结构 K 阴极
5
电工电子技术
晶闸管是用硅材料制成的半导体器件，它有三 种结构形式： 螺栓式、平板式和塑料封装式。平板 式又分为风冷平板式和水冷平板式。
K
G V
K A
G
(a )
K G
图 10 -1 G
A 图形 符号
+ _
K EA > 0、EG > 0
电工电子技术
形成正反馈过程
iB2 iG
iC2 2iGiB1
iC1 β1iC2
12iGiB2
在极短时间内使两个 三极管均饱和导通，此 过程称触发导通。
8
晶闸管导电实验
电工电子技术
（1）晶闸管截止时，
若uA>0, uG≤0，晶闸管 仍然 截止；
（2）晶闸管截止时，
2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向 电压或正向脉冲(正向触发电压)。
晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反 馈，晶闸管仍可维持导通状态。

(U SB , ISB ) A
称为二次击穿。
IB＞ 0
一次击穿
BUCEO
27
U CE
A点对应的电压USB 和电流ISB称为二次击穿
的临界电压和电流，其
I C 二次击穿 二次击穿
(U SB , ISB ) A
乘积为： PSB=USBISB
IB＞ 0
一次击穿
U CE
称为二次击穿的临界功率。当GTR的基极正偏时，二次击穿的
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电力三极管的主要特点
▪ 是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通 和关断；
▪ 开关速度较快；
▪ 饱和压降较低；
▪ 有二次击穿现象；
▪ 能控制较大的电流和较高的电压；
▪ 电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品 化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、 800A;
极电流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应 予以注意。
10
2． 关断增益βq
这个参数是用来描述GTO关断能力的。关断增益
βq 为 最 大 可 关 断 阳 极 电 流 IATO 与 门 极 负 电 流 最 大 值
IGM之比，即：
q
I ATO | IGM
|
目前大功率GTO的关断增益为3～5。采用适当的 门极电路，很容易获得上升率较快、幅值足够大的门 极负电流，因此在实际应用中不必追求过高的关断 增益。
GTR属于第二代功率半导体器件，它克服了晶闸管不 能自关断与开关速度慢的缺点。其电气符号与普通晶体 管相同。
GTR是一种双极型大功率高反压晶体管，具有自关断
能力，控制方便，开关时间短，高频特性好，价格低廉。
可用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电力变

●如图6-8所示。 ● GTO 的通态压降 VA 随着阳极通态电流 IA 的增加而增加。 ●结温越高，通态压降增长越快
GTO 第14页
5.2.1.3 安全工作区 1 、正向偏置： GTO 是双稳态开 关器件，在正向偏置即门极加 正触发信号时，没有安全工作 区的问题。 ( 见右图轨迹贴近横纵轴） 2、反向偏置： ●GTO在反向偏置有安全工作区 问题。 ●GTO安全工作区定义：在一定 条件下，GTO能够可靠关断的 阳极电流与阳极电压的轨迹。 图6-9。 ●若条件改变，如驱动电路或缓 冲电路参数改变之后，安全工 作区也改变。
GTO 第7页
●导通过程 浅。
与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较
●关断过程：门极加负脉冲即从门极抽出电流，形成强烈 正反馈——
IG↓—→Ib2↓—→IK、Ic2↓—→IA、Ic1↓
↑ 当IA和IK的减小使1+2<1时， 器件退出饱和而关断。
GTO 第8页
●GTO的关断条件:
1+ 2 <1
★全控型，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，水
平4500A/5000V、1000A/9000V。
★ 在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力 有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。
GTO 第3页
GTO 第4页
5.1.1 结构
●与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部
来分析。
●当阳极加正向电压、门极加触发信号时，
GTO导通，具体过程如下：正反馈过程。
● 1+ 2=1是器件临界导通的条件。当 1+ 2>1时，两个
等效晶体管过饱和而使器件导通；当 1+ 2<1时，不能 维持饱和导通而关断。 GTO的掣住电流。

a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断 面示意图 c) 管的结构 d)等效电路 e) 电气图形符号
1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理
工作原理：
与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来
分析。
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN V2 S
称为电流关断增益。
off

I ATO IGM
（1-8）
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 。
1.3.3 可关断晶闸管的主要参数
（5）阳极尖峰电压UP
——
（6） 维持电流IH
——。
（7） 擎住电流IL ——。
（8） 浪涌电流IFSM ——。
典型全控型器件
常用的型全控型器件
门极可关断晶闸管 GTO
P-MOSFET
IGBT单管及模块
1.3 可关断晶闸管(GTO)—全控型
1.3.1 可关断晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 可关断晶闸管的基本特性 1.3.3 可关断晶闸管的主要参数 1.3.4 可关断晶闸管的安全工作区 1.3.5 GTO的门极驱动电路
1.3 门极可关断晶闸管(GTO)—全控型
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）
晶闸管的一种派生器件。 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。 目 前 ， GTO 的 容 量 水 平 达 6000A/6000V 、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 DATASHEET

特性
普通单向晶闸管靠控制极信号触发之后，撤掉信号也能维持导通。欲使其关断，必须切断电源或施以反向电 压强行关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积、质量增大，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。
当可关断晶闸管阳极和阴极间加正向电压且低于正向转折电压时，若门极无正向电压，则管子不会导通；若 门极加正向电压，则管子被触发导通，导通后的管压降比较大，一般为2～3V。
(2)检测注意事项。检测大功率可关断晶闸管时，可在R×1Ω挡外面串联一节1.5V电池（与表内电池极性顺 向串联），以提高测试电压，使可关断晶闸管触发导通。
3．可关断晶闸管关断能力判别
尽管可关断晶闸管与普通单向晶闸管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 于普通单向晶闸管在导通之后即处于深度饱和状态，而可关断晶闸管在导通后只能达到临界饱和状态。所以，在 可关断晶闸管的门极上加负向触发信号后，通态电流开始下降，使管子不能维持内部电流的正反馈。
由于可关断晶闸管关断时，可在阳极电流下降的同时升高施加的电压（不像普通单向晶闸管关断时在阳极电 流等于零后才能施加电压），因此，可关断晶闸管关断期间功耗较大。另外，因为可关断晶闸管导通压降较大 (2～3V)，门极触发电流较大（20mA左右），所以可关断晶闸管的导通功耗与门极功耗均较普通单向晶闸管 大。
判别电极时，将万用表置R×1Ω挡，检测任意两脚间电阻值。黑表笔接G极、红表笔接K极时为低电阻值，其 他情况下电阻值均为无穷大，由此可判定G极、K极，余下为A极。
2．可关断晶闸管触发导通能力判别
(1)触发导通能力的检测方法。判断可关断晶闸管触发导通能力时，将万用表置R×1Ω挡，黑表笔接A极，红 表笔接K极，测得电阻值为无穷大。同时用黑表笔接触G极（加上正向触发信号），表针向右偏转到低电阻值，说 明晶闸管已导通。黑表笔笔尖离开G极，晶闸管仍维持导通，说明被测管具有触发导通能力。

晶闸管教材
1.认识晶闸管的符号 2.了解晶闸管的特性 3.理解晶闸管的运用
2021/2/5

1
复习 二极管
二极管图形符号：
箭头方向表示二 极管正向导通时
电流的方向
用逆止水阀门比喻二极管示意图 （a）正向水流顶开阀门 （b）反向水流压紧阀门
文字符号：VD
2021/2/5
在0.3～0.9之间。 单结晶体管的导通条件是：
单结晶体管等 效电路
UE﹥η UBB + UD (UD为PN结的正向压降)
结论：只要改变UE的大小，就可以控制单结晶体管 的导通与截至。从而获得从RB1输出的脉冲电压。
2021/2/5

22
补充学习二
单结晶体管触发电路
2021/2/5

18
1.5.5 晶闸管的使用注意事项
1、选用晶闸管的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电 压的大小，并留出一定的余量。
2、选用晶闸管的额定流时，除了考虑通过元件的平均电流外， 还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作 中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。
15
1.5.4 晶闸管的主要技术参数
1．正向峰值电压（断态重复峰值电压）UDRM 在门控极断路、晶闸管处在正向阻断状态下，且管子
结温为额定值时，允许“重复”加在晶闸管上的正向峰
值电压。而所谓的“重复”是指这个大小的电压重复施
加时晶闸管不会损坏。此参数取正向转折电压的80％，
即UDRM＝0.8 UDSM。普通晶闸管的UDRM的规格从100V到 3000V 分 多 挡 ， 其 中 100V~1000V 每 100V 一 挡 ；
从导通 到关断
1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流

只有发射结接近正向偏置时，iC才开始上升，在这段时 间内有IB1而几乎无iC，由于发射结和集电结势垒电容效 应，只有势垒电容充电到一定程度，GTR才开始导通， 所以存在延迟时间td。
tr存在原因
发射结进入正偏，此后，正偏不断增大， iC不断上升，BJT接近或进入饱和区。IB1 一方面继续给发射结和集电结势垒电容充 电，另一方面使基区的电荷积累增加，并 且还补充基区复合所消耗的载流子，这就 存在着上升时间tr。
晶闸管的一种派生器件。 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。 目 前 ， GTO 的 容 量 水 平 达 6000A/6000V 、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 DATASHEET
1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理
tf存在原因
当Ui变为负值，基极电流变为IB2，但iC不 立即变小，而是当基区的电荷减少一定程 度，IC才开始下降，所以存在存储时间ts。 当发射结由正偏变为反偏，集电结和发射 结电荷区变宽，iC下降较快，这就有下降 时间tf。
结构：
与普通晶闸管的相同 点：
－PNPN四层半导体结
构，外部引出阳极、
a)
阴极和门极。
和普通晶闸管的不同 点：
－ GTO 是 一 种 多 元 的 功率集成器件。
GK
GK G
N2
P2 N2
N1
P1 A
b)
图1-13
C）
d）
e）
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断 面示意图 c) 管的结构 d)等效电路 e) 电气图形符号

++
-
13V
C 10 C9
+
C14 VT10
R22
VT11
R23
图4.6 门极驱动电路实例2
4.4
GTO的驱动电路
2.门极驱动电路实例2
在导通控制电路中，
光电隔离
整形
放大
+5V
采用光电耦合器D1的 作用是防止前级电路与 GTO门极电路相互干 扰，并实现不同电平的 转换。
D1 C1 + C2 + RP1
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多 的应用
4.1
GTO的结构和工作原理
➢ 结构：
• 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引 出阳极、阴极和门极。
• 和普通晶闸管的不同点：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。
RP2 VT6 R17
R 13
C 12 R14
R20 C13
VD5 R16
R15
R1
VT9 VT8
R 21
++
-
13V
C 0
R22
VT11
R23
成的放大级送至GTO
图4.7 门极驱动电路实例2
门极，从而控制 GTO
的导通与关断。
该电路可以驱动500A /1200V的GTO，用于三 相PWM控制的GTO逆变器。
第4章
门极可关断晶闸管（GTO）
4.1 GTO的结构和工作原理 4.2 GTO的动态特性 4.4 GTO的主要参数 4.4 GTO的驱动
4.1
GTO的结构和工作原理

正弦半波电流的有效值
触9U发(1电+c或路os和)主反/2电RL路电的电压压波形，管子始终导通。注：此处“反电压”错误。
3）要使晶闸管阻断(截止), 必须切断阳极电源或使阳极
型号及其含义（国产晶闸管）
负载电压平均值为半波时的一倍
3）要使晶闸管阻断(截止), 45U, 晶闸管全导通
u+ T1 RL D2 u–
1) 可在高温下工作；（室温） 2) 加正向导通压降（0.8 ~ 1）V； 3) 反向电压就截止，加正向电压就导通； 4) 额定值可达200A和400V，或更高。
注：它相当于一只开关。
9.2 可控整流电路
半波可控整流电路
半控桥式整流电路
可控
半波可控整流电路
一般为几十mA ~ 一百多mA，其数值与温度成反比，如： 2) 采用交流电源； IC1与IG一起进入T2的基极后再次放大。 2) 当uC=uP, 减小，当IE为0，RB1为几千欧，当IE为20mA左右， 顺向：G “+”,K “-” 当UE=UP时，单结晶体管导通， 2) 在控制极G与阴极K之间加正向电压， 当阳极电压高于转折电压时，元件导通，但这种导通方法 UD为二极管正向压降，约0. 实际上主电路与触发电路只要接在同一电网上可保持同相 晶闸管导通，可以通过很大的电流，而管压降 u– T2 RL D1 u+ 2) 在控制极G与阴极K之间加正向电压， 当 t= t1~ 时(含 t1点)， 因有两个基极，单结晶体管又称 特性与二极管相似，有很小的反 第二基极与发射极之间的电阻为RB2，数值恒定。
较晶闸管（≈1V）小； 3) 基极电流消失或反偏时，晶体管立即截
止（不存在关断问题）； 4) 允许的电流变化率低； 5) 处于导通状态，基极电路功率损耗大； 6) 体积更小，价格更低（比晶闸管）。 达林顿晶体管（200A，500V） 注：复合管，正向导通压降↑，功率损耗↑。

减小阳极附近的等离子浓度方法
1）阳极短路。 2）调整阳极附近的掺杂浓度。 3）用原子核照射阳极。 4）阳极使用重金属扩散。 5）GTO管受电子辐射。
6.1.4实际GTO晶闸管的关断
iG
− VG R
T1关断
iG,T2
=
VG (RG + Rp1)
T2关断
iG,T3
=
(RG
VG + Rp1
+ Rp2 )
③驱动电路正向门极触发电流脉冲上升沿越陡，GTO元阳极电 流滞后时间越短，可加速GTO元阳极导电面积扩展，缩短开通 时间。
（2）关断过程
Q+ t
= 1IA
Q− t
=
(1−2 )IK
IG=0
α1 +α2 > 1
Q二次发射
Q+ t
t = 1IA − (1− 2 )IK = (1 + 2 −1)IA
p-base
Q− t
= 2IK − (1−1)IA = (1 + 2 −1)IA
n-base
希望关断晶闸管，必须使基极的过量载流子减少并最终为零。
IK =IA－ IG
新 Q二次发射 t
Q+ t
= 1IA − (1−2 )(IA -IG ) − IG = (1 + 2 −1)IA -2IG
p-base
Q− t
= 2 (IA − IG ) − (1− 1)IA = (1 + 2 −1)IA − 2IG
t3c ~ t5：
dv = IL dt CS
t＜t4:
iK
=
iA
−
VG RG
t = t5：vAK = VDC iS + iA = IL