门极关断晶闸管GTO

    门极关断晶闸管(GateTurn-off Thyristor)，同其他晶闸管一样，由一个小的正门极电流脉冲触发，除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO晶闸管的关断是通过门极使PNP集电极电流换向，从而打破PNP/NPN的正反馈效应来实现的。GTO晶闸管具有非对称和对称的电压阻断能力，分别用于电压源型和电流源型变流器。GTO晶闸管的关断电流增益，即关断前的阳极电流和关断时所需的负门极电流之比是非常低的，通常为4或5。这也就是说一个6000A的GTO晶闸管需要高达-1500A的门极电流脉冲来关断。然而，门极脉冲电流的持续时间和对应能量都很小，可以由低压电力MOSFET提供。

    门极关断晶闸管GTO的开关特性和普通晶闸管SCR有些不同，因此需要稍作解释。图3-9显示了一个带有缓冲电路的GTO晶闸管斩波器（DC-DC变流器）电路。缓冲电路由串联缓冲器的开通元件(LL)和并联缓冲器的关断元件(Rs，Cs和VD)组成。这类变流器通常用于地铁直流电动机的推进驱动。

 

图3-9带有缓冲电路的GTO晶闸管斩波器(DC-DC变流器)电路

    图3-10给出了有缓冲器时GTO晶闸管的开通和关断特性。CTO晶闸管的开通特性与晶闸管基本相似。一开始，在开通之前，电容C。被充电至电源电压Ud，负载电流流过续流二极管。在开通时，串联缓冲器限制了流过器件的di/dt，而电源电压Ud被施加到负载上。同时，Cs通过Rs和GTO晶闸管的串联回路放电（忽略Ls的影响），把它大部分能量都释放到电阻Rs上。电阻上的功率损耗Ps约为

 

    式中，厂是斩波器的工作频率。很显然，由于器件电流建立过程中的延迟效应，器件的开通损耗减小了。当GTO晶闸管被负门极电流脉冲关断时，可控阳极电流iA在一段短暂的延迟（定义为存储时间ts）之后开始下降。下降时间tf比较陡峭，通常少于1.0μs。随着正向电压开始建立，阳极电流流过旁路电容，限制了器件上的du/dt。缓冲器中的漏感Ls导致一个尖峰电流。过大的电压尖峰尤其有害，因为电流的集中可能会造成局部发热，引起所谓的二次击穿故障。因此必须尽量减小旁路缓冲电流的漏感。在尖峰电压之后，由于欠阻尼响应，阳极电压在下降到正向阻断电压Ud之前出现过冲。GTO晶闸管具有一个很长的拖尾电流，如图3-10所示，主要是由少数载流子的消散引起。这个拖尾电流在大阳极电压的情况下会引起过大的关断损耗，需要用大的Cs来减缓阳极电压的建立。

 

图3-10有缓冲电路时GTO晶闸管的开通和关断特性（未按实际比例）

    然而，正如式(3-7)所示，大的Cs会增加缓冲电路损耗。随着缓冲电容增大，缓冲电路损耗、关断损耗及总损耗的变化曲线由图3-11近似地给出。从这些曲线可以看出，随着Cs增大，主要损耗由器件的开关损耗变为缓冲电路损耗，而总损耗可能大于器件的固有开关损耗。由于GTO晶闸管开关损耗较高，所以变流器的开关频率较低，通常限制在1.0kHz以下，一般在500Hz左右较佳，开关损耗小。

   GTO的主要参数有：

   (1)断态重复峰值电压UDRM：晶闸管在正向阻断时允许外在阳极A、阴极K之间的最大峰值电压。

 

图3-11缓冲电路损耗和关断损耗的变化曲线

   (2)最大可关断阳极电流IATO：用门极控制可关断最大阳极电流值。

   (3)通态管压降UT：通态时，阳极与阴极间电压降在一个周期内的平均值。

   (4)擎住电流IL：GTO导通后，门极信号撤除，与a1+a2=1状态所对应的阳极电流为临界导通电流，它定义为GTO的擎住电流。只有阳极电流大于擎住电流后，GTO才能维持大面积导通。

   (5)关断增益βoff：由式(5-5)可知，关断增益βoff为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流IGM最大值之比。

   (6)通态电流临界上升率di／dt：在规定条件下，门极触发导通时，GTO所承受而不产生有害影响的通态电流最大上升率。

   (7)断态电压临界上升率du/dt：GTO在规定条件下（定额结温、门极断路等），保持断态所允许施加的最大电压上升率。

   (8)阳极尖峰电压Up：GTO在关断过程中，在下降时间的尾部出现的阳极尖峰电压。此值限制着阳极可关断电流的增加。

   (9)关断时间toff：门极施加反向关断电流，使GTO由通态转入断态所需的时间。关断时间等于存储时间与下降时间tf之和。

    高频化、智能化、模块化是电力半导体器件发展的一个重要方向。模块化是变频装置的效率、质量、体积、可靠性、价格等技术经济指标更进一步改善和提高的重要措施。自20世纪70年代Semikron、Numberg.D成功地把模块基本原理引入电力电子技术领域以来，由于模块与同容量的分立元件相比，具有体积小、质量轻、结构紧凑、可靠性高、外接线简单、互换性好，便于维修和安装、结构重复性好、装置的机械设计可简化等优点，因此一开始就受到世界各国电力半导体器件公司的高度重视，并投人大量人力和财力，开发各种电联结形式的电力半导体模块，使模块技术得到蓬勃发展。起初是中小功率(电压≤1000V，电流≤100A)的普通晶闸管模块和整流管模块，之后随着新型器件和晶闸管派生器件及制造模块的相应辅助材料的研制开发成功，继而出现了双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、MCT等模块。晶闸管智能模块的主要特点有：

   (1)大功率晶闸管与触发控制系统集成为一体。

   (2)体积小、质量轻、结构紧凑。

   (3)控制部分与主电路安全隔离，使电路安全、可靠。

   (4)主电源输入无相序、相数限制，输入电压范围为30～450V，输出电流达’直流500A，可实现电压、电流的连续调节，既可人工控制，亦可用机械控制。

   (5)抗电磁干扰能力强，不会产生误动作，耐du/dt、di/dt能力强，工作稳定可靠。

   (6)铜底板不带电，绝缘耐压≥2.5kV，可把多个晶闸管智能模块同时装在同一个接地的散热器上，安装安全可靠。