一种GTO晶闸管快速关断电路的研究

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。

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。

实验一 SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT特性实验一、实验目的和任务1、掌握各种电力电子器件的工作特性；2、掌握各器件对触发信号的要求。

二、实验内容1、晶闸管（SCR）特性实验；2、可关断晶闸管（GTO）特性实验；3、功率场效应管（MOSFET）特性实验；4、大功率晶闸管（GTR）特性实验；5、绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。

三、实验仪器、设备及材料1、 DJK01 电源控制屏（该控制屏包含“三相电源输出”等模块）；2、 DJK06 给定、负载及吸收电路（该挂件包含“二极管”以及“开关”）；3、 DJK07新器件特性实验；4、 DK04滑线变阻器（串联形式：0.65A，2kΩ；并联形式：1.3A，500Ω）；5、万用表。

四、实验原理将电力电子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT)和负载电阻R 串联后接至直流电源的两端，由DJK06 上的给定为新器件提供触发电压信号，给定电压从零开始调节，直至器件触发导通，从而可测得在上述过程中器件的V/A 特性；图2.1中的电阻R 用DK04 上的滑线变电阻，并接成并联形式，直流电压和电流表可从DJK01 电源控制屏上获得，五种电力电子器件均在DJK07 挂箱上；直流电源从电源控制屏的励磁电源取得。

实验线路的具体接线如图2.1所示。

图2.1 新器件特性实验原理图五、主要技术重点、难点1、确定器件的临界导通和稳定导通；2、分析SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT特性的异同点。

六、实验步骤1、按图2.1所示接线，首先将晶闸管（SCR）接入主电路，在实验开始时，将DJK06 上的给定电位器RP1 沿逆时针旋到底，关闭励磁电压。

按下“启动”按钮，打开DJK06 的电源开关，然后打开励磁开关，缓慢调节给定输出，同时监视电压表的读数，当直流电压升到40V 时，停止调节单相调压器(在以后的其他实验中，均不用调节)；调节给定电位器RP1，逐步增加给定电压，监视电压表、电流表的读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记录给定电压Ug调节过程中回路电流Id以及器件的管压降Uv，填入表2.1。

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是一种比较理想的大功率开关器件。

一、结构与工作原理1、结构GTO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层结构，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和α2增加。

可关断晶闸管（GTO）可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。

其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

前已述及，普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，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），只是工作频纺比GTR低。

目前，GTO已达到3000A、4500V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外于深度饱和状态，而GTO在导通后只能达到临界饱和，所以GTO门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与门极最大负向电流IGM之比，有公式βoff =IATM/IGMβoff一般为几倍至几十倍。

βoff值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。

很显然，βoff与昌盛的hFE参数颇有相似之处。

下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。

1．判定GTO的电极将万用表拨至R×1档，测量任意两脚间的电阻，仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值，对其它情况电阻值均为无穷大。

由此可迅速判定G、K极，剩下的就是A极。

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 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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。

门极可关断(GTO)晶闸管的介绍与工作原理门极可关断(GTO)晶闸管是一种专门用于高频交流电路中的控制开关元件。

它的结构和普通晶闸管类似，但它具有一个独特的优点，即在正向导通状态下，门极信号的去除可以使晶体失去导通能力，实现可控的关闭功能。

在本文中，我们将介绍GTO晶闸管的结构、工作原理、特点和应用。

GTO晶闸管的结构GTO晶闸管的结构由P型基极、N型阳极和三个N型控制电极——接口控制极(GC)、栅控制极(GA)和阴面控制极(Gk)构成。

它的控制端口(即GA/GC和GK)可以分别控制基极-发射极结和栅-发射极结，从而实现门极可关断的特性。

GTO晶闸管的工作原理在正向电压下，GTO晶闸管与一般的晶闸管一样，在基极-发射极结上形成一个P-N结，使电流能够从阳极向基极流动。

在这种情况下，GTO晶闸管处于导通状态。

经过一定的时间后，在GC/GA和GK两个控制门极上的电信号被去除，从而使栅-发射极结恢复正常工作状态。

这会导致P-N结的急剧变化，栅区电流降低到一个很小的水平。

如果此时阳极电流仍继续流动，则GTO晶闸管将进入正常开关状态。

此时，如果阳极电流减小到一定水平，这个P-N结就会快速扩散，导致整个晶闸管的导通能力被破坏，从而使其正常关断。

这种关断过程是可控的，从而实现GTO晶闸管的门极可关断特性。

GTO晶闸管的特点GTO晶闸管相对于其他类型的晶闸管有许多特点。

其中最重要的特点是它的门极可关断特性，使其具有更好的控制能力，因此广泛用于交流变频器、直流-交流变换器、电子稳压器、可编程逻辑控制器和中压驱动器等高频交流电路中。

GTO晶闸管的另一个重要优点是它可以在高温环境下工作，温度范围一般在150-200℃之间。

此外，它还具有快速关断时间和高反向阻抗等特性。

缺点是开通电压相对较高，应用时需要考虑应用场景。

GTO晶闸管的应用GTO晶闸管广泛应用于电力电子领域。

由于其门极可关断特性和高温工作能力，它通常被用来驱动低电感、低噪声、非阻性电荷的负载、中等电流和大功率直流电机等。