可關(guān)斷可控硅基礎(chǔ)知識(shí)圖解

可關(guān)斷可控硅GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦稱門控可控硅。其主要特點(diǎn)為，當(dāng)門極加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)時(shí)可控硅能自行關(guān)斷。

普通可控硅（SCR）靠門極正信號(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)斷可控硅克服了上述缺陷，它既保留了普通可控硅耐壓高、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、大電流開關(guān)器件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶體管（GTR），只是工作頻紡比GTR低。目前，GTO已達(dá)到3000A、4500V的容量。大功率可關(guān)斷可控硅已廣泛用于斬波調(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)斷可控硅也屬于PNPN四層三端器件，其結(jié)構(gòu)及等效電路和普通可控硅相同，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。這是由于普通可控硅在導(dǎo)通之后即外于深度飽和狀態(tài)，而GTO在導(dǎo)通后只能達(dá)到臨界飽和，所以GTO門極上加負(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，它等于陽極最大可關(guān)斷電流IATM與門極最大負(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，說明門極電流對(duì)陽極電流的控制能力愈強(qiáng)。很顯然，βoff與昌盛的hFE參數(shù)頗有相似之處。

可關(guān)斷晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電路

可關(guān)斷晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電路，包括門極開通電路和門極關(guān)斷電路。使可關(guān)斷晶閘管根據(jù)信號(hào)的要求導(dǎo)通或關(guān)斷的門極控制電路。用于控制電力電子電路中的可關(guān)斷晶閘管的通斷。根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)可關(guān)斷晶閘管的特性或容量、應(yīng)用的場(chǎng)合、電路電壓、工作頻率、要求的可靠性和價(jià)格等方面的不同要求進(jìn)行分類，可有各式各樣的門極驅(qū)動(dòng)電路。

使可關(guān)斷晶閘管根據(jù)信號(hào)的要求導(dǎo)通或關(guān)斷的門極控制電路。用于控制電力電子電路中的可關(guān)斷晶閘管的通斷。對(duì)可關(guān)斷晶閘管廣告門極驅(qū)動(dòng)電路的一般要求是：當(dāng)信號(hào)要求可關(guān)斷晶閘管導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路提供上升率足夠大的正門極脈沖電流，其幅度視晶閘管容量不同在0.1到幾安培的范圍內(nèi)變化，其寬度應(yīng)保證可關(guān)斷晶閘管可靠導(dǎo)通；當(dāng)信號(hào)要求可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路提供上升率足夠大的負(fù)門極脈沖電流，脈沖幅度要求大于可關(guān)斷晶閘管陽極電流的五分之一，脈沖寬度應(yīng)大于可關(guān)斷晶閘管的關(guān)斷時(shí)間和尾部時(shí)間。

結(jié)構(gòu)與工作原理

可關(guān)斷晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電路，包括門極開通電路和門極關(guān)斷電路。某些場(chǎng)合還包括虛線所示的門極反偏電路，以增加抗干擾能力。門極開通電路為可關(guān)斷晶閘管提供開通時(shí)的正門極脈沖電流。一種門極開通電路，當(dāng)導(dǎo)通信號(hào)電壓是高電平時(shí)，晶體管G1導(dǎo)通，其發(fā)射極電流即作為觸發(fā)電流流入可關(guān)斷晶閘管門極。門極關(guān)斷電路為可關(guān)斷晶閘管提供關(guān)斷時(shí)的負(fù)門極脈沖電流。一種門極關(guān)斷電路，當(dāng)關(guān)斷信號(hào)來時(shí)，晶閘管G2導(dǎo)通。負(fù)電壓E2通過G2加到可關(guān)斷晶閘管的門極，抽取門極電流。當(dāng)可關(guān)斷晶閘管T關(guān)斷后，門極恢復(fù)阻斷，門極電流降為零，G2也恢復(fù)阻斷。圖2c是完整的雙電源門極驅(qū)動(dòng)電路。

分類

根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)可關(guān)斷晶閘管的特性或容量、應(yīng)用的場(chǎng)合、電路電壓、工作頻率、要求的可靠性和價(jià)格等方面的不同要求，有各式各樣的門極驅(qū)動(dòng)電路。

特性

普通單向晶閘管靠控制極信號(hào)觸發(fā)之后，撤掉信號(hào)也能維持導(dǎo)通。欲使其關(guān)斷，必須切斷電源或施以反向電壓強(qiáng)行關(guān)斷。這就需要增加換向電路，不僅使設(shè)備的體積、質(zhì)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。

當(dāng)可關(guān)斷晶閘管陽極和陰極間加正向電壓且低于正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，若門極無正向電壓，則管子不會(huì)導(dǎo)通；若門極加正向電壓，則管子被觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)通后的管壓降比較大，一般為2～3V。

由于可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷時(shí)，可在陽極電流下降的同時(shí)升高施加的電壓（不像普通單向晶閘管關(guān)斷時(shí)在陽極電流等于零后才能施加電壓），因此，可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷期間功耗較大。另外，因?yàn)榭申P(guān)斷晶閘管導(dǎo)通壓降較大（2～3V），門極觸發(fā)電流較大（20mA左右），所以可關(guān)斷晶閘管的導(dǎo)通功耗與門極功耗均較普通單向晶閘管大。

估測(cè)關(guān)斷增益βoff的方法

下面分別介紹利用萬用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發(fā)能力和關(guān)斷能力、估測(cè)關(guān)斷增益βoff的方法。

1. 判定GTO的電極

將萬用表撥至R×1檔，測(cè)量任意兩腳間的電阻，僅當(dāng)黑表筆接G極，紅表筆接K極時(shí)，電阻呈低阻值，對(duì)其它情況電阻值均為無窮大。由此可迅速判定G、K極，剩下的就是A極。

2. 檢查觸發(fā)能力

首先將表Ⅰ的黑表筆接A極，紅表筆接K極，電阻為無窮大；然后用黑表筆尖也同時(shí)接觸G極，加上正向觸發(fā)信號(hào)，表針向右偏轉(zhuǎn)到低阻值即表明GTO已經(jīng)導(dǎo)通；最后脫開G極，只要GTO維持通態(tài)，就說明被測(cè)管具有觸發(fā)能力。

3. 檢查關(guān)斷能力

現(xiàn)采用雙表法檢查GTO的關(guān)斷能力，表Ⅰ的檔位及接法保持不變。將表Ⅱ撥于R×10檔，紅表筆接G極，黑表筆接K極，施以負(fù)向觸發(fā)信號(hào)，如果表Ⅰ的指針向左擺到無窮大位置，證明GTO具有關(guān)斷能力。

4. 估測(cè)關(guān)斷增益βoff

進(jìn)行到第3步時(shí)，先不接入表Ⅱ，記下在GTO導(dǎo)通時(shí)表Ⅰ的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n1；再接上表Ⅱ強(qiáng)迫GTO關(guān)斷，記下表Ⅱ的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n2。最后根據(jù)讀取電流法按下式估算關(guān)斷增益：

βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/ K2n2

式中K1—表Ⅰ在R×1檔的電流比例系數(shù)；

K2—表Ⅱ在R×10檔的電流比例系數(shù)。

βoff≈10×n1/ n2

此式的優(yōu)點(diǎn)是，不需要具體計(jì)算IAT、IG之值，只要讀出二者所對(duì)應(yīng)的表針正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)，即可迅速估測(cè)關(guān)斷增益值。

檢測(cè)

1.可關(guān)斷晶閘管電極判別

判別電極時(shí)，將萬用表置R×1Ω擋，檢測(cè)任意兩腳間電阻值。黑表筆接G極、紅表筆接K極時(shí)為低電阻值，其他情況下電阻值均為無窮大，由此可判定G極、K極，余下為A極。

2.可關(guān)斷晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通能力判別

（1）觸發(fā)導(dǎo)通能力的檢測(cè)方法。判斷可關(guān)斷晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通能力時(shí)，將萬用表置R×1Ω擋，黑表筆接A極，紅表筆接K極，測(cè)得電阻值為無窮大。同時(shí)用黑表筆接觸G極（加上正向觸發(fā)信號(hào)），表針向右偏轉(zhuǎn)到低電阻值，說明晶閘管已導(dǎo)通。黑表筆筆尖離開G極，晶閘管仍維持導(dǎo)通，說明被測(cè)管具有觸發(fā)導(dǎo)通能力。

（2）檢測(cè)注意事項(xiàng)。檢測(cè)大功率可關(guān)斷晶閘管時(shí)，可在R×1Ω擋外面串聯(lián)一節(jié)1.5V電池（與表內(nèi)電池極性順向串聯(lián)），以提高測(cè)試電壓，使可關(guān)斷晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。

3.可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷能力判別

盡管可關(guān)斷晶閘管與普通單向晶閘管的觸發(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。這是由于普通單向晶閘管在導(dǎo)通之后即處于深度飽和狀態(tài)，而可關(guān)斷晶閘管在導(dǎo)通后只能達(dá)到臨界飽和狀態(tài)。所以，在可關(guān)斷晶閘管的門極上加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)后，通態(tài)電流開始下降，使管子不能維持內(nèi)部電流的正反饋。此過程經(jīng)過一定時(shí)間后，可關(guān)斷晶閘管即可關(guān)斷。

將萬用表1置R×1Ω擋，紅表筆接K極，黑表筆接A極。使晶閘管導(dǎo)通并維持，此時(shí)表1指針向右偏轉(zhuǎn)為低電阻值。然后將萬用表2置R×10Ω擋，黑表筆接K極，紅表筆接G極（加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)），若此時(shí)表1指針向左擺到無窮大，說明管子具有關(guān)斷能力。

注意事項(xiàng)

在檢查大功率GTO器件時(shí)，建議在R×1檔外邊串聯(lián)一節(jié)1.5V電池E′，以提高測(cè)試電壓和測(cè)試電流，使GTO可靠地導(dǎo)通。

要準(zhǔn)確測(cè)量GTO的關(guān)斷增益βoff，必須有專用測(cè)試設(shè)備。但在業(yè)余條件下可用上述方法進(jìn)行估測(cè)。由于測(cè)試條件不同，測(cè)量結(jié)果僅供參考，或作為相對(duì)比較的依據(jù)。

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