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GTO的基本结构和基本工作原理是什么？详细概述GTO是一种电流控制型的自关断双极型器件。
跟全控器件BJT一样，当门极（对晶体管称基极）引入正向电流时导通，引入反向电流时关断，但不能像BJT那样在门极信号撤除时也能自行关断。
这就是说，GTO跟晶闸管一样，一旦导通即能在导通状态下发生擎住效应，没有门极电流仍然导通。
所以GTO是一种必须靠门极电流的极性变化来改变通断状态的晶闸管。
使GTO关断的反向门极电流通常须达到阳极电流的1/5～1/3，因而关断过程的控制远不如BJT经济和方便。
但是，从单管的功率处理量来比较，BJT又远不如GTO。
GTO在大容量电力电子变换器的历史中曾起到重要作用。
图1 典型的GTO结构图GTO的基本结构和基本工作原理与普通晶闸管大同小异，只是为了实现门极关断和提高门极的控制能力而扩大了P区（与门极接触）对N+发射区（与阴极接触）的相对面积，并将N+区化整为零，分置于P区环绕之中。
这些分离开的微小N+区，通过共用P区、N 区和P+区，形成GTO管芯的全部晶闸管单元。
每个单元晶闸管各有其独立的阴极，通常用压接方式将它们并联于同一阴极压块上。
GTO的阳极通常是一定形状的金属网格连接在一起。
图1给出了一个典型的GTO管芯的局部断面示意图。
从工艺角度说GTO的制造要比晶闸管制造精细得多、复杂得多，但GTO拥有晶闸管一样的简化结构，如图2所示。
图2 简化的晶闸管结构以及外电路连接GTO也是在部分先导通，然后扩展实现全面导通。
略有不同的是，GTO的导通是同时在各个单元里发生的，在各个单元里同时从边沿向中心扩展，而普通晶闸管作为一个完整的大单元来开通，扩展面积要大得多。
就每个单元而言，GTO的开通过程与晶闸管完全相同，也是靠门极注入正向电流来满足导通条件：。
门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)就是一种具有自断能力的晶闸管。
处于断态时,如果有阳极正向电压,在其门极加上正向触发脉冲电流后,GTO可由断态转入通态,已处于通态时,门极加上足够大的反向脉冲电流,GTO由通态转入断态。
由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断,仅由门极加脉冲电流去关断它;所以在直流电源供电的DC—DC,DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。
这就简化了电力变换主电路,提高了工作的可靠性,减少了关断损耗,与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。
因此,GTO就是一种比较理想的大功率开关器件。
一、结构与工作原理1、结构GTO就是一种PNPN4层结构的半导体器件,其结构、等效电路及图形符号示于图1中。
图1中A、G与K分别表示GTO的阳极、门极与阴极。
α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数,α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数,图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。
通常α1比α2小,即P1N1P2晶体管不灵敏,而N2P2N1晶体管灵敏。
GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1,器件处于临界饱与状态,为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
普通晶闸管SCR也就是PNPN4层结构,外部引出阳极、门极与阴极,构成一个单元器件。
GTO称为GTO元,它们的门极与阴极分别并联在一起。
与SCR 不同,GTO就是一种多元的功率集成器件,这就是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
GTO的开通与关断过程与每一个GTO元密切相关,但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性,多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。
2、开通原理由图1(b)所示的等效电路可以瞧出,当阳极加正向电压,门极同时加正触发信号时,GTO导通,其具体过程如图2所示。
显然这就是一个正反馈过程。
当流入的门极电流I G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加,进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时,α1与α2增加。
GTO晶闸管符号1. 介绍GTO（Gate Turn-Off）晶闸管是一种具有可控开关能力的功率电子器件，通常用于高压和大电流的开关应用。
GTO晶闸管可以通过控制其栅极电压来实现开关状态的转换，具有低损耗、高可靠性和快速响应的特点。
在电力系统、工业自动化、交通运输等领域被广泛应用。
2. GTO晶闸管结构GTO晶闸管由多个层次的半导体材料组成，主要包括N型和P型半导体材料。
其典型结构如下：1.N+区：在N+区域注入了大量杂质，形成高浓度的电子载流子。
2.N-区：N-区是主要承受主电流的区域，具有较低浓度的杂质。
3.P+区：在P+区域注入了大量杂质，形成高浓度的空穴载流子。
4.P-区：P-区是主要承受主电流的区域，具有较低浓度的杂质。
5.压控层：压控层是GTO晶闸管的关键部分，通过栅极电压的控制来实现开关操作。
3. GTO晶闸管符号GTO晶闸管的符号用于电路图中表示该器件。
其符号如下所示：A K┌─┴─┐ ┌─┴─┐│ │ │ │─┘ └───|G|───┘ └──GTO GATE其中，A表示阳极（Anode），K表示阴极（Cathode），G表示栅极（Gate）。
4. GTO晶闸管工作原理GTO晶闸管的工作原理可以分为导通状态和关断状态两种情况。
4.1 导通状态当栅极电压大于或等于触发电压时，GTO晶闸管处于导通状态。
此时，栅极电流激活了压控层，使之变为低阻态。
主电流可以从阳极经过N+区、N-区、P+区和P-区，最终达到阴极。
导通时，主电流可以承载较大的功率。
4.2 关断状态当栅极电压低于触发电压时，GTO晶闸管处于关断状态。
此时，压控层处于高阻态。
主电流无法通过GTO晶闸管，器件处于关断状态。
5. GTO晶闸管特性GTO晶闸管具有以下特性：1.可控性：通过控制栅极电压来实现开关操作。
2.低损耗：导通时的正向压降较低，减小了功率损耗。
3.高可靠性：采用了先进的封装技术和散热设计，提高了器件的可靠性。
gto晶闸管的开通和关断原理-回复GTO晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor，简称GTO）是一种高压高功率电子器件，可用于控制和调节电力系统中的电流和电压。
它的开通和关断原理是实现广泛应用的关键。
在介绍GTO晶闸管的开通和关断原理之前，让我们先了解一下晶闸管的基本结构和工作原理。
晶闸管是一种四层PNPN结构的器件，由阳极（A）、阴极（K）、门极（G）和触发极（T）组成。
当正向电压施加在器件上时，它将保持封锁状态，不导通电流。
然而，一旦给予一个正向的脉冲电压在门极上，晶闸管将开通并导通电流。
一旦晶闸管导通，它将保持导通状态，直到有一个负向的电压施加在它上面才能关断。
GTO晶闸管通过控制门电流来实现开通和关断操作。
让我们分别来看看GTO晶闸管的开通和关断过程。
1. 开通过程：a. 初始状态下，GTO晶闸管处于封锁状态，没有电流通过。
b. 当一个正向电压施加在阳极和阴极之间时，弱磁场会形成在P2区域（即距离阳极最近的P区）。
c. 将一个正向的脉冲电流施加在门极上，通过之前提到的反向PN结（PG结），使得P2区域的磁场增强。
这个过程被称为“增强过程”。
d. 当P2区域磁场增强到一定程度时，它会引起P3区域（距离阴极最近的P区）的P-N结被打破，进而使整个晶闸管开始导通电流。
这个阈值被称为“增强区电流阈值”。
e. 一旦开始导通，GTO晶闸管将保持导通状态，即使门极上的脉冲电流停止。
2. 关断过程：a. 在GTO晶闸管导通状态下，需要通过在门极上施加一个负向的脉冲电流来关断它。
b. 这个负向的脉冲电流会减小P2区域的磁场，并最终恢复原始的封锁状态。
c. 当P2区域磁场减小到一定程度时，整个GTO晶闸管将关断并停止导通。
可以看出，GTO晶闸管的关断操作相对于开通操作更加复杂。
这主要是因为在关断时，电流需要从整个器件中完全消失，而不仅仅是从P2区域。
这种非直接关断性质导致GTO晶闸管具有一定的关断延迟时间。
gto工作原理GTO（Gate Turn-Off Thyristor）是一种特殊类型的晶闸管，它具有可控性和可关断性能。
GTO主要应用于大功率、高频率的交流电力系统中，例如电力传输、电动机控制、电力变频调速等领域。
GTO的工作原理可以简单地分为导通状态和关断状态两种情况。
在导通状态下，当GTO的阳极加上正向电压，而控制电压加上一个脉冲触发信号时，GTO将开始导通。
此时，GTO的结构中的NPNP四层结构中的P层被激发，使得电流可以从阳极流向阴极，GTO处于导通状态。
而在关断状态下，当GTO的阳极加上反向电压或控制电压不再加上触发信号时，GTO将开始关断。
此时，GTO的结构中的P层被加强，使得电流无法从阳极流向阴极，GTO处于关断状态。
GTO的工作原理可以通过控制触发信号和正/反向电压来实现对其导通和关断状态的控制。
通过合理地控制触发信号的脉冲宽度和频率，可以实现对GTO的导通时间和导通电流的控制。
同时，通过合理地控制正/反向电压的大小和变化率，可以实现对GTO的关断时间和关断电压的控制。
这种可控性和可关断性是GTO相比于普通晶闸管的独特优势，使得其在高功率、高频率的交流电力系统中有着广泛的应用前景。
除了可控性和可关断性之外，GTO还具有低导通压降、高导通电流、快速关断速度等特点。
这些特点使得GTO在电力传输、电动机控制、电力变频调速等领域具有得天独厚的优势。
例如，在电力传输系统中，GTO可以实现对输电线路的高效控制，提高输电效率；在电动机控制系统中，GTO可以实现对电动机的精准调速，提高工作效率；在电力变频调速系统中，GTO可以实现对电力频率的精准调整，提高设备的稳定性。
总之，GTO作为一种特殊类型的晶闸管，具有可控性和可关断性能，其工作原理主要通过控制触发信号和正/反向电压来实现。
GTO具有低导通压降、高导通电流、快速关断速度等特点，广泛应用于电力传输、电动机控制、电力变频调速等领域，具有巨大的市场潜力和发展前景。
门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。
处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO 由通态转入断态。
由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。
这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。
因此，GTO是一种比拟理想的大功率开关器件。
一、构造与工作原理1、构造GTO是一种PNPN4层构造的半导体器件，其构造、等效电路及图形符号示于图1中。
图1中A、G和K分别表示GTO 的阳极、门极和阴极。
α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数，图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。
通常α1比α2小，即P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1晶体管灵敏。
GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于1，器件处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。
普通晶闸管SCR也是PNPN4层构造，外部引出阳极、门极和阴极，构成一个单元器件。
GTO称为GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起。
与SCR不同，GTO是一种多元的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
GTO的开通和关断过程与每一个GTO元密切相关，但GTO元的特性又不等同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。
2、开通原理由图1〔b〕所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通，其具体过程如图2所示。
显然这是一个正反应过程。
当流入的门极电流I G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时，α1和α2增加。
当α1+α2>1之后，两个晶体管均饱和导通，GTO则完成了导通过程。
可见，GTO开通的必要条件是α1+α2>1，〔1〕此时注入门极的电流I G=[1-〔α1+α2〕I A]/ α2 〔2〕式中，I A——GTO的阳极电流；I G——GTO的门极电流。
由式〔2〕可知，当GTO门极注入正的电流I G但尚不满足开通条件时，虽有正反应作用，但器件仍不会饱和导通。
这是因为门极电流不够大，不满足α1+α2>1的条件，这时阳极电流只流过一个不大而且是确定的电流值。
当门极电流IG撤销后，该阳极电流也就消失。
与α1+α2=1状态所对应的阳极电流为临界导通电流，定义为GTO的擎住电流。
当GTO在门极正触发信号的作用下开通时，只有阳极电流大于擎住电流后，GTO才能维持大面积导通。
{{分页}} 由此可见，只要能引起α1和α2变化，并使之满足α1+α2>1条件的任何因素，都可以导致PNPN4层器件的导通。
所以，除了注入门极电流使GTO导通外，在一定条件下过高的阳极电压和阳极电压上升率du/dt，过高的结温及火花发光照射等均可能使GTO触发导通。
所有这些非门极触发都是不希望的非正常触发，应采取适当措施加以防止。
实际上，因为GTO是多元集成构造，数百个以上的GTO元制作在同一硅片上，而GTO元的特性总会存在差异，使得GTO元的电流分布不均，通态压降不一，甚至会在开通过程中造成个别GTO元的损坏，以致引起整个GTO的损坏。
为此，要求在制造时尽可能使硅片微观构造均匀，严格控制工艺装备和工艺过程，以求最大限度地到达所有GTO元的特性的一致性。
另外，要提高正向门极触发电流脉冲上升沿陡度，以求到达缩短GTO元阳极电流滞后时间，加速GTO 元阴极导电面积的扩展，缩短GTO开通时间的目的。
3、关断原理GTO开通后可在适当外部条件下关断，其关断电路原理与关断时的阳极和门极电流如图3所示。
关断GTO时，将开关S闭合，门极就施以负偏置电压U G。
晶体管P1N1P2的集电极电流I C1被抽出形成门极负电流-I G，此时晶体管N2P2N1的基极电流减小，进而引起I C1的进一步下降，如此循环不已，最终导致GTO的阳极电流消失而关断。
GTO的关断过程分为三个阶段：存储时间〔t s〕阶段，下降时间(t f)阶段，尾部时间(t t )阶段。
关断过程中相应的阳极电流i A、门极电流i G、管压降u AK和功耗P off随时间的变化波形如图3(b)所示。
〔1〕 t s阶段。
GTO导电时，所有GTO元中两个等效晶体管均饱和，要用门极控制GTO关断，首先必须使饱和的等效晶体管退出饱和，恢复基区控制能力。
为此应排除P2基区中的存储电荷，t s阶段即是依靠门极负脉冲电压抽出这局部存储电荷。
在t s阶段所有等效晶体管均未退出饱和，3个PN结都还是正向偏置；所以在门极抽出存储电荷的同时，GTO阳极电流i A仍保持原先稳定导电时的数值I A，管压降u AK也保持通态压降。
〔2〕 t f阶段。
经过t s阶段后，P1N1P2等效晶体管退出饱和，N2P2N1晶体管也恢复了控制能力，当i G变化到其最大值-I GM时，阳极电流开场下降，于是α1和α2也不断减小，当α1+α2≤1时，器件部正反应作用停顿，称此点为临界关断点。
GTO的关断条件为α1+α2<1，〔3〕关断时需要抽出的最大门极负电流-I GM为|-I GM|>[〔α1+α〕-1]I ATO/α2，〔4〕式中，I ATO——被关断的最大阳极电流；I GM——抽出的最大门极电流。
由式〔4〕得出的两个电流的比表示GTO的关断能力，称为电流关断增益，用βoff表示如下：βoff=I ATO/|-I GM|。
〔5〕βoff是一个重要的特征参数，其值一般为3~8。
在t f阶段，GTO元中两个等效晶体管从饱和退出到放大区；所以随着阳极电流的下降，阳极电压逐步上升，因而关断时功耗较大。
在电感负载条件下，阳极电流与阳极电压有可能同时出现最大值，此时的瞬时关断损耗尤为突出。
{{分页}}〔3〕 t t阶段。
从GTO阳极电流下降到稳定导通电流值的10%至阳极电流衰减到断态漏电流值时所需的时间定义为尾部时间t t。
在t t阶段中，如果U AK上升du/dt较大时，可能有位移电流通过P2N1结注入P2基区，引起两个等效晶体管的正反应过程，轻则出现I A的增大过程，重则造成GTO再次导通。
随着du/dt上升减慢，阳极电流I A逐渐衰减。
如果能使门极驱动负脉冲电压幅值缓慢衰减，在t t阶段，门极依旧保持适当负电压，则t t时间可以缩短。
二、特性与参数1、静态特性〔1〕阳极伏安特性GTO的阳极伏安特性如图4所示。
当外加电压超过正向转折电压U DRM时，GTO即正向开通，这种现象称做电压触发。
此时不一定破坏器件的性能；但是假设外加电压超过反向击穿电压U<, /SPAN>RRM之后，则发生雪崩击穿现象，极易损坏器件。
用90%U DRM值定义为正向额定电压，用90%U RRM值定义为反向额定电压。
GTO的阳极耐压与结温和门极状态有着密切关系，随着结温升高，GTO的耐压降低，如图5所示。
当GTO结温高于125℃时，由于α1和α2大大增加，自动满足了α1+α2>1的条件；所以不加触发信号GTO即可自行开通。
为了减小温度对阻断电压的影响，可在其门极与阴极之间并联一个电阻，即相当于增设了一短路发射极。
GTO的阳极耐压还与门极状态有关，门极电路中的任何毛刺电流都会使阳极耐压降低，开通后又会使GTO擎住电流和管压降增大。
图〔6〕表示门极状态对GTO阳极耐压的影响，图(6)中i G1和 i G2相当于毛刺电流，i G0<i G1<i G2。
显然，当门极出现i G1或i G2时，GTO正向转折电压大大降低，因而器件的正向额定电压相应降低。
〔2〕通态压降特性GTO的通态压降特性如图〔7〕所示。
结温不同，GTO的通态压降U A随着阳极通态电流I A的增加而增加，只是趋势不尽一样。
图〔7〕中所示曲线为GFF200E 型GTO的通态压降特性。
一般希望通态压降越小越好；管压降小，GTO的通态损耗小。
{{分页}}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GTO的开通特性如图(8)所示。
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。
开通时间t on由延迟时间表t d和上升时间t r组成。
t on的大小取决于元件特性、门极电流上升率di G/dt以及门极脉冲幅值的大小。
由图可知，在延迟时间功率损耗比拟小，大局部的开通损耗出现在上升时间。
当阳极电压一定时，每个脉冲GTO开通损耗将随着峰值阳极电流I A的增加而增加。
〔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。
关断过程中阳极电流、电压及关断功率损耗随时间变化的曲线，以及关断过程中门极电流、电压及阳极电流、电压随时间变化的曲线如图(9)所示。
由图〔9〕可以看出，整个关断过程可由3个不同的时间间隔来表示，即存储时间t s、下降时间t f和尾部时间t t。
存储时间t s对应着从关断过程开场，到出现α1+α2=1状态为止的一段时间间隔，在这段时间从门极抽出大量过剩载流子，GTO的导通区不断被压缩，但总的电流几乎不变。
下降时间t f对应着阳极电流迅速下降，门极电流不断上升和门极反电压开场建立的过程，在这段时间里，GTO中心结开场退出饱和，继续从门极抽出载流子。
尾部时间t t则是指从阳极电流降到极小值开场，直到最终到达维持电流为止的电流时间。
在这段时间仍有残存的载流子被抽出，但是阳极电压已建立；因此很容易由于过高的重加du/dt，使GTO关断失效，这一点必须充分重视。
GTO的根本构造和工作原理GTO的根本构造GTO是一种电流控制型的自关断双极器件，当门极引入正向电流时导通，引入反向电流是关断，但不能像GTR那样在门极信号撤除时也能自行关断。
这就是说，GTO跟普通晶闸管一样，一旦导通即能在导通状态下自锁〔Latch-up〕，是一种必须靠门极电流的极性变化来改变通断状态的晶闸管。
图3-1 GTO并联单元构造的断面示意图GTO的根本构造与根本工作原理与普通晶闸管小异，只是为了实现门极关断和提高门极的控制能力而扩大了P基区(门极区)对N＋发射区〔阴极区〕的相对面积，并将N＋发射区化整为零，分置与P区环绕之中，这些别离开的微小N＋发射区通过共用P基区，N＋基区，P发射区，形成GTO的管芯的全部晶闸管单元,每个单元晶闸管各有其独立的阴极，通常用压接方式把他们并联于同一阴极压块上。
