可關斷可控硅基礎知識圖解

可關斷可控硅GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦稱門控可控硅。其主要特點為，當門極加負向觸發信號時可控硅能自行關斷。

普通可控硅（SCR）靠門極正信號觸發之后，撤掉信號亦能維持通態。欲使之關斷，必須切斷電源，使正向電流低于維持電流IH，或施以反向電壓強近關斷。這就需要增加換向電路，不僅使設備的體積重量增大，而且會降低效率，產生波形失真和噪聲?？申P斷可控硅克服了上述缺陷，它既保留了普通可控硅耐壓高、電流大等優點，以具有自關斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。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已達到3000A、4500V的容量。大功率可關斷可控硅已廣泛用于斬波調速、變頻調速、逆變電源等領域，顯示出強大的生命力。

可關斷可控硅也屬于PNPN四層三端器件，其結構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的觸發導通原理相同，但二者的關斷原理及關斷方式截然不同。這是由于普通可控硅在導通之后即外于深度飽和狀態，而GTO在導通后只能達到臨界飽和，所以GTO門極上加負向觸發信號即可關斷。GTO的一個重要參數就是關斷增益，βoff，它等于陽極最大可關斷電流IATM與門極最大負向電流IGM之比，有公式：βoff =IATM/IGM

βoff一般為幾倍至幾十倍。βoff值愈大，說明門極電流對陽極電流的控制能力愈強。很顯然，βoff與昌盛的hFE參數頗有相似之處。

可關斷晶閘管門極驅動電路

可關斷晶閘管門極驅動電路，包括門極開通電路和門極關斷電路。使可關斷晶閘管根據信號的要求導通或關斷的門極控制電路。用于控制電力電子電路中的可關斷晶閘管的通斷。根據對驅動可關斷晶閘管的特性或容量、應用的場合、電路電壓、工作頻率、要求的可靠性和價格等方面的不同要求進行分類，可有各式各樣的門極驅動電路。

使可關斷晶閘管根據信號的要求導通或關斷的門極控制電路。用于控制電力電子電路中的可關斷晶閘管的通斷。對可關斷晶閘管廣告門極驅動電路的一般要求是：當信號要求可關斷晶閘管導通時，驅動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到幾安培的范圍內變化，其寬度應保證可關斷晶閘管可靠導通；當信號要求可關斷晶閘管關斷時，驅動電路提供上升率足夠大的負門極脈沖電流，脈沖幅度要求大于可關斷晶閘管陽極電流的五分之一，脈沖寬度應大于可關斷晶閘管的關斷時間和尾部時間。

結構與工作原理

可關斷晶閘管門極驅動電路，包括門極開通電路和門極關斷電路。某些場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斷晶閘管提供開通時的正門極脈沖電流。一種門極開通電路，當導通信號電壓是高電平時，晶體管G1導通，其發射極電流即作為觸發電流流入可關斷晶閘管門極。門極關斷電路為可關斷晶閘管提供關斷時的負門極脈沖電流。一種門極關斷電路，當關斷信號來時，晶閘管G2導通。負電壓E2通過G2加到可關斷晶閘管的門極，抽取門極電流。當可關斷晶閘管T關斷后，門極恢復阻斷，門極電流降為零，G2也恢復阻斷。圖2c是完整的雙電源門極驅動電路。

分類

根據對驅動可關斷晶閘管的特性或容量、應用的場合、電路電壓、工作頻率、要求的可靠性和價格等方面的不同要求，有各式各樣的門極驅動電路。

特性

普通單向晶閘管靠控制極信號觸發之后，撤掉信號也能維持導通。欲使其關斷，必須切斷電源或施以反向電壓強行關斷。這就需要增加換向電路，不僅使設備的體積、質量增大，而且會降低效率，產生波形失真和噪聲，可關斷晶閘管克服了上述缺陷。

當可關斷晶閘管陽極和陰極間加正向電壓且低于正向轉折電壓時，若門極無正向電壓，則管子不會導通；若門極加正向電壓，則管子被觸發導通，導通后的管壓降比較大，一般為2～3V。

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

估測關斷增益βoff的方法

下面分別介紹利用萬用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發能力和關斷能力、估測關斷增益βoff的方法。

1. 判定GTO的電極

將萬用表撥至R×1檔，測量任意兩腳間的電阻，僅當黑表筆接G極，紅表筆接K極時，電阻呈低阻值，對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接觸G極，加上正向觸發信號，表針向右偏轉到低阻值即表明GTO已經導通；最后脫開G極，只要GTO維持通態，就說明被測管具有觸發能力。

3. 檢查關斷能力

現采用雙表法檢查GTO的關斷能力，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，施以負向觸發信號，如果表Ⅰ的指針向左擺到無窮大位置，證明GTO具有關斷能力。

4. 估測關斷增益βoff

進行到第3步時，先不接入表Ⅱ，記下在GTO導通時表Ⅰ的正向偏轉格數n1；再接上表Ⅱ強迫GTO關斷，記下表Ⅱ的正向偏轉格數n2。最后根據讀取電流法按下式估算關斷增益：

βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/ K2n2

式中K1—表Ⅰ在R×1檔的電流比例系數；

K2—表Ⅱ在R×10檔的電流比例系數。

βoff≈10×n1/ n2

此式的優點是，不需要具體計算IAT、IG之值，只要讀出二者所對應的表針正向偏轉格數，即可迅速估測關斷增益值。

檢測

1.可關斷晶閘管電極判別

判別電極時，將萬用表置R×1Ω擋，檢測任意兩腳間電阻值。黑表筆接G極、紅表筆接K極時為低電阻值，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.可關斷晶閘管觸發導通能力判別

（1）觸發導通能力的檢測方法。判斷可關斷晶閘管觸發導通能力時，將萬用表置R×1Ω擋，黑表筆接A極，紅表筆接K極，測得電阻值為無窮大。同時用黑表筆接觸G極（加上正向觸發信號），表針向右偏轉到低電阻值，說明晶閘管已導通。黑表筆筆尖離開G極，晶閘管仍維持導通，說明被測管具有觸發導通能力。

（2）檢測注意事項。檢測大功率可關斷晶閘管時，可在R×1Ω擋外面串聯一節1.5V電池（與表內電池極性順向串聯），以提高測試電壓，使可關斷晶閘管觸發導通。

3.可關斷晶閘管關斷能力判別

盡管可關斷晶閘管與普通單向晶閘管的觸發導通原理相同，但二者的關斷原理及關斷方式截然不同。這是由于普通單向晶閘管在導通之后即處于深度飽和狀態，而可關斷晶閘管在導通后只能達到臨界飽和狀態。所以，在可關斷晶閘管的門極上加負向觸發信號后，通態電流開始下降，使管子不能維持內部電流的正反饋。此過程經過一定時間后，可關斷晶閘管即可關斷。

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

注意事項

在檢查大功率GTO器件時，建議在R×1檔外邊串聯一節1.5V電池E′，以提高測試電壓和測試電流，使GTO可靠地導通。

要準確測量GTO的關斷增益βoff，必須有專用測試設備。但在業余條件下可用上述方法進行估測。由于測試條件不同，測量結果僅供參考，或作為相對比較的依據。

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