门极关断晶闸管GTO变频器及其衍生

    门极关断晶闸管GTO与通常所说的晶闸管略有不同。当门极注入反向控制电流后，晶闸管自行关断，而通常的晶闸管要关断须使流通电流小于关断电流，这就要求有换流回路。而门极关断晶闸管GTO不需要换流回路。门极关断晶闸管GTO与电力晶体管相比，有耐压更高、容量更大、可流通电流大的特点。对于大容量变频器，开关元件采用门极关断晶闸管GTO的较多。

    门极关断晶闸管GTO变频器的主回路如图1.21所示，其中D1～D6组成三相全桥整流，P、N两点电压为全波直流脉动电压；L为电抗器，抑制主回路中直流电流的波纹因数即抑制脉动；C为大容量滤波电容，作用是平滑整流桥输出的脉动电压。二极管VR与电抗器L的作用是：L为限流电抗器，当负载短路电流导致流经GTO开关元件的电流迅速大幅度增加时，L限制电流不超过关断电流以保持GTO能随时受控关断，VR为续流二极管，抑制GTO关断时两端的电压，为L提供放电回路。每路GTO都并联了二极管、电容、电阻，作用是吸收浪涌电流并保护GTO不受过电压损伤。6只GTO元件(T1～T6)承受电压与流通电流的关系都一样，仅彼此之间有固定的相位差，而GTO的门极电压及电流由控制回路给出。

    图1. 21    门极关断晶闸管GTO变频器的主回路

    门极关断晶闸管GTO变频器特别适合高耐压、大电流和大容量的场合，由于GTO可实现自关断，因此主回路简单，并使整个变频器装置更加小型化、重量轻、效率高，在控制性能上高于晶闸管同类装置。

    但是GTO也有不足之处，那就是门极为电流控制，驱动电路复杂，驱动功率大（关断增益β=3～5）；关断过程中内部成百甚至上千个GTO元胞不均匀性引起阴极电流收缩（挤流）效应，必须限制du/dt。为此需要缓冲电路（亦称吸收电路），而缓冲电路既增大体积、重量、成本，又徒然增加损耗。另外，“拖尾”电流使关断损耗大，因而开关频率低。

    在GTO的基础上，近年开发出一种门极换流晶闸管(GCT)，它采用了一些新技术。例如，穿透型阳极，使电荷存储时间和拖尾电流减小，制约了二次击穿，可无缓冲器运行；加N缓冲层，使硅片厚度以及通态损耗和开关损耗减少；特殊的环状门极，使器件开通时间缩短且串、并联容易。因此，GCT除具有GTO高电压、大电流、低导通压降的优点之外，还改善了其开通和关断性能，使工作频率有所提高。为了尽快（如1μS内）将器件关断，要求在门极PN不致击穿的-20V下能获得快于4000A/μs的变化率，以使阳极电流全部经门极极快泄流（即关断增益为1），必须采用低电感触发电路。为此，将这种门极电路配以功率MOSFET强驱动与GCT功率组件集成在一起，构成集成门极换流晶闸管(IGCT)。其改进形式之一则称为对称门极换流晶闸管(SGCT)，两者具有相似的特性。IGCT还可将续流二极管做在同一芯片上集成逆导型，可使装置中器件数量减少。