可關斷晶閘管

半導體裝置

可关断晶闸管英文Gate Turn-Off thyristor,縮寫GTO)是一种派生自普通单向晶闸管的大功率全控型半導體器件,它既保留了普通单向晶闸管耐压高、电流大的特性,又具备了自关断能力。

构造

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可关断晶闸管的结构和普通单向晶闸管一样,由PNPN四层半导体构成,外部有三个电极,即门极G、阳极A和阴极K。

普通单向晶闸管只构成一个单元器件,而可关断晶闸管则是一种多元的功率集成器件,它的内部由数十个甚至数百个共阳极的小型GTO单元并联在一起。[1]

工作原理

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普通单向晶闸管在门极信号触发之后,撤去信号也能维持导通,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,不仅使控制电路的体积、质量增加,而且会降低效率,产生波形失真和噪声;而可关断晶闸管克服了这些缺陷,既可通过门极信号导通,又可通过门极信号关断,其借助外部的缓冲电路来导通和关断电流。[1]

导通

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导通由门极和阴极端子之间的“正电流”脉冲完成,由于门极-阴极的组合结构类似于PN结,因此两极之间存在相对较小的电压。导通期间的GTO具有限制电流上升的最大dI/dt额定值,保证其在达到全电流之前达到开启状态,如果超过该额定值,距离栅极触点最近的GTO区域将过热,并因过电流而熔化。dI/dt的速率通常通过饱和电抗器(导通缓冲器)控制。

GTO的导通dI/dt比普通晶闸管的约束要小,然而GTO中的导通现象不可靠,即使导通后也必须保持较小的门极正电流以提高导通的可靠性。[2]

关断

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关断由门极和阴极端子之间的“负电压”脉冲完成,一些正向电流(占比约1/3至1/5)用于感应出阴极-门极电压,这反过来会使正向电流下降,引致GTO关断。关断期间必须限制GTO的正向电压(通常约为正向阻断电压额定值的20%)直到电流消失,如果关断时电压上升过快,高电压和大电流将集中在GTO的一小部分上,导致其炸裂,因此需要在其周围增加大量缓冲电路进行限制。[2]

GTO的关断时间较长,在正向电流下降后,存在一个长尾时间,期间剩余电流继续流动,直到管内所有的剩余电荷均被导出为止;但即便如此,GTO的关断速度仍可比普通晶闸管快约十倍。[3]

性能参数

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  • 最大可关断阳极电流 IATO即GTO的铭牌电流,它与门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数变化等因素相关。
  • 关断增益 βoff定义为最大可关断电流与门极负电流最大值之比,表示GTO的关断能力。当门极负电流上升率一定时,关断增益与可关断阳极电流成正相关;当可关断阳极电流一定时,其则与门极负电流上升率成负相关。采用适当的门极电路,很容易获得上升较快、幅值足够的门极负电流,因此在实际应用中不必追求过高的关断增益。
  • 阳极尖峰电压UP指在GTO的关断过程中,正向电流下降时在下降曲线尾部出现的极值电压,它等于GTO缓冲电路中的杂散电感与阳极电流在下降时间内变化率的乘积。当GTO的阳极电流增加时,尖峰电压几乎线性增加,增加到一定值之后就会导致GTO损坏。为了减小尖峰电压,必须尽量缩短缓冲电路的引线,减小杂散电感,并采用快恢复二极管及无感电容。[1]

用途

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使用 GTO 的 RG621-A-M 型牵引逆变器,安装在东急1000系日语東急1000系電車列车上

可关断晶闸管具有工作频率高(1 kHz 左右)、使用方便的优点,广泛应用于逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域;其曾作為斩波器VVVF牽引逆變器中的主要開關元件,用於控制供铁路地铁列车使用的牽引電動機(该应用目前正逐渐被绝缘栅双极晶体管取代)。[4]

参照

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参考资料

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 龚素文,李图平等. 电力电子技术 第2版. 北京理工大学出版社. 2014. 
  2. ^ 2.0 2.1 季凌云, 张昌利. 门极可关断晶闸管再导通机理分析及验证. 电力电子技术. 1996, (3): 97-100. 
  3. ^ CIRCUITS TODAY. Gate Turn Off Switch. [2021-11-01]. (原始内容存档于2021-11-04). 
  4. ^ 吕征宇. 大容量门极可关断晶闸管的研究. 电子与信息学报. 1988, 10 (6): 558-562.