什么是門(mén)極關(guān)斷(GTO)晶閘管

什么是門(mén)極關(guān)斷(GTO)晶閘管

可關(guān)斷晶閘管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦稱(chēng)柵控晶閘管。其主要特點(diǎn)為，當(dāng)柵極加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)時(shí)晶閘管能自行關(guān)斷。普通晶閘管（SCR）靠柵極正信號(hào)觸發(fā)之后，撤掉信號(hào)亦能維持通態(tài)。欲使之關(guān)斷，必須切斷電源，使正向電流低于維持電流IH，或施以反向電壓強(qiáng)近關(guān)斷。這就需要增加換向電路，不僅使設(shè)備的體積重量增大，而且會(huì)降低效率，產(chǎn)生波形失真和噪聲。可關(guān)斷晶閘管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，以具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開(kāi)關(guān)器件。GTO的容量及使用壽命均超過(guò)巨型晶體管（GTR），只是工作頻率比GTR低。目前，GTO已達(dá)到4500A、6000V的容量。大功率可關(guān)斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。

可關(guān)斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件，其結(jié)構(gòu)及等效電路和普通晶閘管相同，因此圖1僅繪出GTO典型產(chǎn)品的外形及符號(hào)。大功率GTO大都制成模塊形式。

盡管GTO與SCR的觸發(fā)導(dǎo)通原理相同，但二者的關(guān)斷原理及關(guān)斷方式截然不同。這是由于普通晶閘管在導(dǎo)通之后即處于深度飽和狀態(tài)，而GTO在導(dǎo)通后只能達(dá)到臨界飽和，所以GTO柵極上加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)即可關(guān)斷。GTO的一個(gè)重要參數(shù)就是關(guān)斷增益，βoff，它等于陽(yáng)極最大可關(guān)斷電流IATM與柵極最大負(fù)向電流IGM之比，有公式

βoff =IATM/IGM

βoff一般為幾倍至幾十倍。βoff值愈大，說(shuō)明柵極電流對(duì)陽(yáng)極電流的控制能力愈強(qiáng)。很顯然，βoff與晶體管的hFE參數(shù)頗有相似之處。

下圖為GTO產(chǎn)品外形圖。

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大功率晶閘管（SCR）在過(guò)去相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導(dǎo)體器件。因此，針對(duì)SCR的缺點(diǎn)，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關(guān)斷能力這一點(diǎn)上，并因此而開(kāi)發(fā)出了柵極可關(guān)斷晶閘管GTO。

用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失敗，仍較復(fù)雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時(shí)，電力晶體管（GTR）迅速發(fā)展起來(lái)，使GTO晶閘管相形見(jiàn)綽。因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO晶閘管已基本不用。但因其工作電流大，故在大容量變頻器中仍居主要地位。

根據(jù)電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，預(yù)計(jì)在今后幾年，電力電子器件將在以下方面取得進(jìn)展：

1.已進(jìn)入實(shí)用化的全控型器件將在功率等級(jí)、易于驅(qū)動(dòng)和更高工作頻率這三個(gè)方面繼續(xù)改善和提高。

2.由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及實(shí)用化，在更多的領(lǐng)域，IGBT和IGCT將取代GTO。

3.IGCT等新型混合器件將逐步得以推廣應(yīng)用。

4.功率集成電路將會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。這將預(yù)示著電力電子技術(shù)將躍入一個(gè)新的時(shí)代。

5.新型半導(dǎo)體材料SiC的問(wèn)世，將預(yù)示著在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)誕生一種集高耐壓、大電流、高開(kāi)關(guān)速度、無(wú)吸收電路、簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)、低損耗等所有優(yōu)點(diǎn)于一身的新型SiC電力器件。