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众所周知,普遍晶闸管的门极在一定条件下可触发晶闸管导通,但无法使其关断,只有设置专门的换流电路,改变阳极电压极性,才能使其关断。这样,晶闸管装置电路比较复杂,成本高,效率低,而且可靠性差。可关断晶闸管是这样一种四层三端器件;当门极加正信号时可使其导通,门极加负信号又使其关断。在国外,可关断晶闸管被叫做GTO,即GATETURN-OFFTHYRISTOR(门极关断晶闸管),或叫GCS,即GATECONTROLLEDSWITCH(门极控制开关)。
可关断晶闸管具有普通晶闸管的全部特点,即耐压高、电流大、耐浪涌能力强、造价便宜,同时又有它自己独特的优点。除了可用负的门极信号使导通的管子关断这一突出的特点以外,它还有工作频率高、控制功率小、线路简单、使用方便等优点。因此,GTO是一种比较理想的开关器件。
GTO是一种PNPN四层结构的半导体器件,其结构、等效电路及符号示于图1中。
图中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。a1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数,a2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数。图中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。通常a1比a2小,即P1N1P2晶体管不灵敏而N2P2N1晶体管较灵敏。GTO导通时器件总的放大系数a1+a2稍大于1。器件处于临界饱和状态,为用极负信号去关断阳极电流提供了可能性。下面从开通、关断两个方面讨论GTO的工作原理。
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,CTO导通。其具体过程如下:
显然这是一个正反馈过程。当流入的门极电流IC是以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加,进而使P1N1P2晶体管的发射极电流也增加时,a1和a2也增大。当a1+a21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a1+a21(1)此时注入门极的电流Ic为
由(2)式可知,当GTO门极注入正的IG电流但尚不满足开通条件时,虽有正反馈作用,但器件仍不会饱和导通。这是因为门极电流不够大,不满足a1+a21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IC撤消后,该阳极电流也就消失。与a1+a2=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。
由此可见,只要能引起a1和a2变化并使之满足a1+a21条件的任何因素,都可以导致PNPN四层器件的导通。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dv/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。
GTO开通后可在适当外加信号作用关断,其关断电路原理与关断时的阳极和门极电流波形示于图2中。
关断GTO时,将开关K闭合,门极被施以负偏置电压G晶体管N的集电极电流IP11P2C1被抽出形成门极负电流IG,此时NN晶体管的基极电流减小,进而使I减小。于是引2P21C246赣南师范学院学报1998年起IC1的进一步下降,如此循环不已,最终导致GTO的阳极电流消失关断。
图2(b)为GTO关断时的阳极电流IA与门极负电流IG的波形。当IG变化达到其最大值-IGm时,阳极电流开始下降,于是a1和a2也不断减小,当a1+a2≤1时,器件内部正反馈作用停止,称此点临界关断点。GTO的关断条件为a1+a21(3)
GTO关断时,随着阳极电流的下降,阳极电压逐步上升,因而关断时的瞬时功耗较大。在电感负载条件下,阳极电流与阳极电压有可能同时出现其最大值,此时的瞬时关断损耗尤为突出。阳极电压VA与瞬时功耗PA的波形亦示于图2(b)中。另外,GTO在关断期间,门极负电流也有一定功耗,增加了GTO功耗值。
可关断晶闸管除了与普通晶闸管相同的参数以外,还有一些不同的参数,主要是:
可关断晶闸管的电流限制有两个方面,一是由于热学上的限制,即额定工作结温决定了可关断晶闸管的平均电流额定值,这一点与普通晶闸管相同,二是由于a1和a2均为电流的函数。当电流增大时,a1+a2接近于1的临界导通条件可能被破坏,导致门极关断失败,因此,引入了最大阳极可关断电流IATO这一概念,这是可关断晶闸管的一个特征参数。
由于可关断晶闸管广泛工作在脉冲工作状态,特别是在脉冲占空比很小的情况下,尽管平均电流小于额定值,但峰值电流很可能超过最大阳极可关断电流,从而产生失败现象。
阳极电流IA与使它关断所需的最小门极电流-Icmin的比值称为电流关断增益βoff,可用下式表示:
一般可关断晶闸管的关断增益βoff约为5。需要指出的是可关断晶闸管的βoff与晶体管的共发射极电流增益β并不完全相当。因此可关断晶闸管所需要的只是瞬时功率,尽管瞬时所需的门极负电流幅值较大,但脉冲很窄,因此平均门极功耗很小。从功率关断增益来看,可达1000,100000倍。
可关断晶闸管触发时,阳极电流若小于掣住电流IL时,就不能维持大面积导通,因此一旦撤除门极触发脉冲,主回路就自行关断。对普遍晶闸管来说,也有掣住电流这一参数,但因可关断晶闸管的临界导通程度高,在工艺结构上又是采用分立的梳状结构阴极,所以它的掣住电流比普通晶闸管高得多,这点需要在应用中特别注意。
