1.3　可关断晶闸管

可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，GTO）具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。

1.3.1　可关断晶闸管的结构和工作原理

1.可关断晶闸管的结构

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；与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。图1.18（a）为各单元的阴极、门极间隔排列的图形，图1.18（b）为并联单元结构断面示意图，图1.18（c）为GTO的图形符号。

2.可关断晶闸管的工作原理

与普通晶闸管一样，可以用图1.19所示的双晶体管模型来分析。

由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管VT1、VT2，分别具有共基极电流增益α1和α2。α1+α2=1是器件临界导通的条件。当α1+α2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当α1+α2<1时，不能维持饱和导通而关断。

GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：

（1）设计α2较大，使晶体管VT2控制灵敏，易于GTO关断。

（2）导通时，α1+α2更接近1（约1.05，而普通晶闸管则为α1+α2≥1.15），导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门极、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

由上述分析可以得到以下结论：

（1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，但在制作时采用特殊的工艺使GTO导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。

（2）GTO的关断机理与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽取饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

1.3.2　可关断晶闸管的基本特性与主要参数

1.GTO的阳极伏安特性

GTO的阳极伏安特性与普通晶闸管相似，如图1.20所示，外加电压超过正向转折电压UBO时，GTO正向导通，正向导通次数多了就会引起GTO的性能变差；但若外加电压超过反向击穿电压URO，则发生雪崩击穿，造成元件的永久性损坏。

对GTO门极加正向触发电流时，GTO的正向转折电压随门极正向触发电流的增大而降低。

2.GTO的动态特性

图1.21给出了GTO导通和关断过程中门极电流iG和阳极电流iA的波形。与普通晶闸管类似，导通过程中需要经过延迟时间td（iA<10％IA）和上升时间tr[iA=（10％～90％）IA]。关断过程则有所不同，首先需要经历抽取饱和导通时存储的大量载流子的时间——存储时间ts，从而使等效晶体管退出饱和状态；然后则是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小的时间——下降时间tf；最后还有残存载流子复合所需要的时间——尾部时间tt。

通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流的幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts就越短。若使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在ts阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间tt。

关断损耗基本集中在下降时间tf内，过大的瞬时功耗会造成GTO的损坏，其瞬时功耗与阳极尖峰电压有关。阳极尖峰电压随着阳极可关断电流的增加而增加，过高则可能导致GTO失效。阳极尖峰电压的产生是由器件外接保护与缓冲电流的引线电感、二极管正向恢复电压和电容器中的电感造成的，因此应用中要尽量减少缓冲电路的杂散电感。

3.GTO的主要参数

GTO的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）最大可关断阳极电流IATO。GTO的最大阳极电流受两个方面的限制：一是额定工作结温的限制；二是门极负电流脉冲可以关断的最大阳极电流的限制，这是由GTO只能工作在临界饱和导通状态所决定的。阳极电流过大，GTO便处于较深的饱和导通状态，门极负电流脉冲不可能将其关断。通常将最大可关断阳极电流IATO作为GTO的额定电流。应用中，最大可关断阳极电流IATO还与工作频率、门极负电流的波形、工作温度及电路参数等因素有关，它不是一个固定不变的数值。

（2）关断增益βoff。关断增益为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，其表达式为

βoff比晶体管的电流放大系数β小得多，一般只有5左右，关断增益βoff低是GTO的一个主要缺点。

（3）阳极尖峰电压Up。阳极尖峰电压Up是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性增加，Up过高可能导致GTO失效。Up的产生是由缓冲电路中的引线电感、二极管正向恢复电压和电路中的电感造成的。

（4）维持电流IH。GTO的维持电流是指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通的数值。

由此可见，当阳极电流略小于维持电流时，仍有部分GTO元继续维持导通，这时若阳极电流恢复到较高数值，已截止的GTO元不能再导通，就会引起维持导通的GTO元的电流密度增加，出现不正常的工作状态。

（5）擎住电流IL。擎住电流是指GTO经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值。

由此可见，擎住电流最大的GTO元对整个GTO的擎住电流影响最大，若该GTO元刚达到其擎住电流时，遇到门极正脉冲电流极陡的下降沿，则内部载流子增生的正反馈过程受阻而返回到截止状态，因此必须加宽门极脉冲，使所有的GTO元都达到可靠导通。

1.3.3　可关断晶闸管的识别与检测

GTO主要特点是当门极加负向脉冲时GTO能自行关断，GTO既保留了普通晶闸管的耐压高、电流大等优点，又能自行关断，使用方便，是理想的高电压、大电流开关器件。

下面分别介绍利用万用表判定GTO的电极、检查GTO的触发能力和关断能力方法。

1.判定GTO的电极

将模拟万用表拨至R×1挡，测量任意两引脚的电阻，当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值，其他情况电阻均为无穷大。由此可迅速判定G、K极，剩下的是A极。

2.检查GTO的触发能力

检查GTO的触发能力，如图1.22所示。首先将表Ⅰ的黑表笔接A极，红表笔接K极，电阻无穷大；然后，用黑表笔尖也同时接触G极，加上正向触发信号，万用表指针向右偏转到低阻值，GTO已经导通；最后，脱开G极，只要GTO维持通态，就说明被测GTO具有触发能力。

3.检查GTO的关断能力

现采用双表法检查GTO的关断能力，如图1.23所示，表Ⅰ的挡位及接法保持不变。将表Ⅱ置于R×10挡，红表笔接G极，黑表笔接K极，施以负向触发信号，如果表Ⅰ的指针向左摆到无穷大位置，证明GTO具有关断能力。