1.3 门极可关断晶闸管（GTO）
门极可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor，简称可关断晶闸管GTO），它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、耐浪涌能力强、使用方便和价格低等。同时它又有自身的优点，如具有自关断能力、工作效率较高、使用方便、无须辅助关断电路等。GTO既可用门极正向触发信号使其触发导通，又可向门极加负向触发电压使其关断。是一种应用广泛的大功率全控开关器件。在高电压和大中容量的斩波器及逆变器中获得了广泛应用。
1.3.1 GTO的结构和工作原理
1.GTO的结构
GTO也是四层PNPN结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和普通晶闸管不同的是：GTO内部可看成是由许多P1N1P2N2四层结构的小晶闸管并联而成的，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元。所以GTO是集成元件结构，而普通晶闸管是独立元件结构。正是由于GTO和普通晶闸管在结构上的不同，因而其关断性能也不同。图1-12给出了GTO的结构示意图、等效电路、电气符号及外形图。
2.GTO的工作原理
由于GTO也具有P1N1P2N2四层结构，所以同样可用双晶体管模型来分析其工作原理。其中，α1和α2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数。当α1+α2≈1时，双晶体管处于临界饱和导通状态；α1+α2>1时，双晶体管处于饱和度较深的导通状态；α1+α2<1时，双晶体管处于关断状态。GTO与晶闸管最大区别就是回路增益α1+α2数值不同。
图1-12 GTO的结构示意图、等效电路、电气符号及外形图
a）、b）结构示意图 c）等效电路 d）电气符号 e）外形
（1）GTO的开通原理
GTO的开通原理与晶闸管一样，当GTO的阳极加正向电压，门极加足够的正脉冲信号后，GTO即可进入导通状态。
通常GTO导通时，双晶体管的α1+α2≈1.05，因而元件处于略过临界的导通状态，这就为GTO用门极负信号关断GTO提供了有利条件。而普通晶闸管导通时α1+α2≈1.15>1，器件饱和度较深，用门极负脉冲不足以使α1+α2<1。也就不能用门极负信号来关断晶闸管，这是GTO与普通晶闸管的一个极为重要的区别。
（2）GTO的关断原理
当GTO处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，晶体管P1N1P2的Ic1被抽出，形成门极负电流-IG，此时N1P2N2晶体管的基极电流相应减小，进而使Ic2减小，再引起Ic1的进一步下降，如此循环下去，最终导致GTO的阳极电流消失而关断。当GTO门极关断负电流-IG达到最大值时，IA开始下降，此时也将引起α1和α2的下降，当α1+α2≤1时，器件内部正反馈作用停止，α1+α2=1为临界关断点。GTO的关断条件为α1+α2<1。
由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏其临界饱和状态，能使器件关断。而普通晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。
1.3.2 GTO的特性和主要参数
1.阳极伏安特性
GTO的阳极伏安特性与普通晶闸管相同，故不再介绍。
2.开通特性
当GTO的阳极加正向电压，门极也加正向电流时，GTO由断态转为通态。开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成，即ton=td+tr。GTO的td=1～2μs，而tr则随IA增大而增大，如图1-13a、b所示。
3.关断特性
当GTO导通时，对它的门极加适当的负脉冲电流，可关断GTO元件。关断时的阳极电流IA、阳极电压UA（管压降）随时间变化的曲线见图1-13。由图可知，关断过程分为储存时间ts、下降时间tf、拖尾时间tt。关断时间一般指存储时间ts和下降时间tf之和，而不包括拖尾时间tt，即toff=ts+tf，ts随IA增大而增大，一般小于2μs。储存时间ts为从关断过程开始到出现关断状态为止的区间，在这段时间内从门极抽走大量过剩的载流子，GTO的导通区不断被压缩。下降时间tf对应阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升。在这段过程内，GTO的中心区域开始退出饱和，继续从门极抽出载流子。拖尾时间tt则是从阳极电流降到极小值开始，直到最终达到维持电流为止的时间。
图1-13 GTO的电压、电流及门极电流波形
a）电压波形 b）电流波形 c）门极电流波形
4.主要参数
1）最大可关断阳极电流IATO：指用门极电流可以重复关断的阳极峰值电流，也称为可关断阳极峰值电流。
2）阳极尖峰电压Up：如图1-13所示，在GTO关断过程中，在下降时间的尾部出现了一个阳极尖峰电压Up，这是一个重要参数。
3）关断增益βoff：指最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值之比，即βoff=IATO/|-IGM|。它表示GTO的关断能力，是一个重要的特征参数。
4）维持电流IH：指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通的电流值。
5）擎住电流IL：指GTO元经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值。