闸关可控硅

在本教程中，我们将了解一种特殊类型的可控硅，称为闸关可控硅。我们将学习它的结构，电路符号，V-I特性，工作原理和闸关可控硅的一些常见应用。

简介

虽然晶闸管广泛应用于高功率应用，但它一直是一种半可控器件。即使它可以通过施加门信号来开启，它也必须通过使用整流电路中断主电流来关闭。

在DC到DC和DC到AC转换电路的情况下，由于缺乏自然电流零，这成为晶闸管的一个严重缺陷(在交流电路的情况下)。因此，闸管关断晶闸管(GTO)的开发解决了晶闸管的主要问题，通过闸管终端保证关断机制。

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门关断晶闸管基础知识

闸关可控硅或GTO是一种三端、双极(电流控制的少数载流子)半导体开关装置。与常规晶闸管类似，其端子为阳极、阴极和栅极，如下图所示。顾名思义，它具有门关闭能力。

这些不仅能够打开主电流与门驱动电路，但也关闭它。一个小的正栅极电流触发GTO进入传导模式，也通过栅极上的负脉冲，它能够被关闭。观察下图，栅极上有双箭头，区分GTO与正常晶闸管。这表示通过栅极终端的双向电流。

关闭GTO所需的栅极电流相对较高。例如，额定4000V和3000A的GTO可能需要-750A的门电流才能将其关闭。所以GTO的典型关断增益较低，在4到5的范围内。由于这种大的负电流，gto被用于低功耗应用。

另一方面，在传导状态下，GTO表现得就像晶闸管有一个小的On状态压降。GTO具有比晶闸管更快的开关速度，并且具有比功率晶体管更高的电压和电流额定值。

在当今市场上，有几种具有不对称和对称电压功能的gto可供选择。具有相同正向和反向阻塞功能的gto称为对称gto (s - gto)。这些是用在电流源逆变器，但这些有点慢。由于不对称GTOs (A-GTOs) ON态压降较低且温度稳定，因此多采用非对称GTOs。

这些不对称gto具有显著的反向电压能力(通常为20至25 V)。这些gto用于决不会发生反向电压或在电路中连接反向导电二极管的情况。本文仅描述非对称gto。

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建设

考虑下面GTO的结构，它几乎类似于晶闸管。它也是一个四层，三结P-N-P-N器件，像一个标准晶闸管。在这种情况下，阴极端的n+层被高度掺杂以获得高发射极效率。这导致结J3的击穿电压很低，通常在20到40伏的范围内。

p型栅极的掺杂水平是高度分级的，因为为了保持较高的发射极效率，掺杂水平应该很低，而为了具有良好的关闭性能，该区域的掺杂水平应该很高。此外，栅极和阴极应以各种几何形式高度交叉，以优化电流关断能力。

P+阳极与N基之间的结称为阳极结。重掺杂的P+阳极区域需要获得更高效率的阳极结，以实现良好的开启性能。然而，这种gto会影响关闭功能。

这一问题可以通过在P+阳极层中定期引入重掺杂N+层来解决，如图所示。所以这个N+层在结J1处与N层直接接触。这使得电子从N碱基区直接移动到阳极金属接触处，而不会引起P+阳极的空穴注入。这被称为阳极短GTO结构。

由于这些阳极短路，GTO的反向阻塞容量降低到结j3的反向击穿电压，从而加快了关断机制。

然而，由于大量的阳极短路，阳极结的效率降低，因此GTO的开关性能下降。因此，必须仔细考虑这些阳极短板的密度，以获得良好的开关性能。

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操作原理

GTO的开启操作类似于传统晶闸管。当阳极端相对于阴极端通过施加正极栅极电流而变为正极时，从栅极注入的空穴电流正向偏置阴极p基结。

这导致电子从阴极向阳极端发射。这导致孔从阳极端注入基区。这种空穴和电子的注入持续不断，直到GTO进入传导状态。

在晶闸管的情况下，导通最初通过打开邻近栅极端子的阴极区域开始。因此，通过等离子体扩散剩余的区域进入传导。

与晶闸管不同的是，GTO由窄阴极元件组成，与栅极端子严重交错，因此初始打开面积非常大，等离子体扩散很小。因此GTO很快进入传导状态。

为了关闭导电GTO，在栅极上施加反向偏置，使栅极相对于阴极为负。来自P基层的部分空穴通过栅极提取，栅极抑制来自阴极的电子注入。

因此，更多的空穴电流通过栅极被提取，结果更多的电子从阴极被抑制。最终，p基结的压降导致反向偏置栅极阴极结，因此GTO关闭。

在空穴抽提过程中，p基区逐渐枯竭，传导区被挤压。随着这一过程的持续，阳极电流流过偏远地区，形成高电流密度的细丝。这将导致局部热点，可能损坏设备，除非这些灯丝迅速熄灭。

通过施加高负栅电压，这些灯丝迅速熄灭。由于N基区存储电荷，即使阴极电流停止，阳极到栅极的电流仍继续流动。这就是所谓的尾电流，随着多余的载流子在重组过程中减少而呈指数衰减。一旦尾电流降低到泄漏电流水平，该器件保持其正向阻塞特性。

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vi特点

在接通过程中，GTO的工作原理与晶闸管类似。第一象限的特性和晶闸管相似。当阳极相对于阴极变为正时，器件以正向阻塞模式工作。通过应用正门信号触发GTO进入传导状态。

如图所示，GTO的闭锁电流和正向泄漏电流明显高于晶闸管。如果阳极电流高于保持电流水平，栅极驱动器可以被移除。

但建议不要在传导过程中移除正栅极驱动，并保持在超过最大临界栅极电流的值。这是因为阴极被细分为上面讨论的小手指元素，以协助关闭过程。

这导致阳极电流暂时下降到保持电流水平以下，从而迫使高阳极电流以高速率返回到GTO。这可能具有潜在的破坏性。因此，有些厂家建议在导通状态下采用连续门信号。

GTO可以通过应用反向栅极电流来关闭，该反向栅极电流可以是阶跃或斜坡驱动。GTO不需要倒转阳极电压即可关闭。图中的虚线显示了感性负载关闭期间的i-v轨迹。应该注意的是，在关断期间，GTO只能阻塞额定正向电压。

为了避免dv/dt触发并在关闭期间保护设备，要么在栅极和阴极之间连接一个推荐的电阻值，要么必须在栅极端子上保持一个小的反向偏置电压(通常为-2V)。这可以防止栅极阴极结成为正向偏压，因此GTO在关闭状态期间维持。

在逆偏置条件下，GTO的阻塞能力取决于GTO的类型。如图所示，对称GTO具有较高的反向阻塞能力，而非对称GTO具有较小的反向阻塞能力。

可以观察到，在反向偏置条件下，由于阳极结构短，GTO在经过一个小的反向电压(20 ~ 30 V)后开始向反向导电。这种操作方式不会破坏器件，前提是栅极是负偏置的，而且这种操作的时间应该很短。

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闸关式可控硅应用

由于GTO具有良好的开关特性、不需要换相电路、免维护等优点，使得GTO在许多应用中都优于晶闸管。它被用作斩波器和逆变器的主要控制装置。其中一些应用程序是

• 交流驱动器
• 直流驱动器或直流切割机
• 交流稳定电源
• 直流断路器
• 感应加热
• 以及其他低功耗应用

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