闸关可控硅

在本教程中，我们将学习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，工作原理和一些众所周知的闸关可控硅的应用。

简介

虽然可控硅广泛应用于高功率应用，但它一直是一个半控制设备。即使它可以通过应用门信号打开，它必须通过使用换向电路中断主电流关闭。

在直流到直流和直流到交流转换电路中，由于缺乏自然电流零(在交流电路中)，这成为可控硅的一个严重缺陷。因此，Gate关断晶闸管(GTO)的开发解决了晶闸管的主要问题，保证了通过Gate终端的关断机制。

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闸关闸可控硅基础知识

闸关可控硅或GTO是一种三端、双极(电流控制的少数载流子)半导体开关器件。与传统的可控硅类似，其端子为阳极、阴极和栅，如下图所示。顾名思义，它具有闸关功能。

这些不仅能够通过门驱动电路打开主电流，也可以关闭主电流。一个小的正栅极电流触发GTO进入传导模式，也通过栅极上的一个负脉冲，它能够被关闭。在下图中观察到，栅极上有双箭头，这将GTO与普通可控硅区分开来。这表示通过栅端子的双向电流。

关闭GTO所需的栅电流相对较高。例如，额定4000V和3000A的GTO可能需要-750A的门电流来关闭它。所以GTO的典型关闭增益很低，在4到5的范围内。由于这种大的负电流，gto被用于低功率应用。

另一方面，在传导状态下，GTO的行为就像一个可控硅有一个小的On状态电压降。GTO的开关速度比可控硅快，额定电压和额定电流比功率晶体管高。

在当今的市场上，有几种具有非对称和对称电压能力的GTOs。具有相同正向和反向阻塞能力的gto称为对称gto (s - gto)。这些都是用在电流源逆变器，但这些有点慢。由于非对称GTOs (A-GTOs)具有较低的ON电压降和稳定的温度特性，因此大多使用。

这些非对称GTOs具有可观的反向电压能力(通常为20 ~ 25 V)。这些用于反向电压永远不会发生的地方，或在电路中连接了反向导电二极管。本文只描述非对称GTOs。

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建设

考虑GTO的下面结构，它几乎类似于可控硅。它也是一个四层，三结P-N-P-N器件，像一个标准的可控硅。在这种情况下，阴极端的n+层被高度掺杂以获得较高的发射效率。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，因为要保持高的发射极效率，掺杂水平应该很低，而要有良好的关闭性能，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错，以优化电流关断能力。

P+阳极和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ON性能。然而，关闭功能会受到这种gto的影响。

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。这使得电子从基底N区直接移动到阳极金属接触处，而没有引起P+阳极的空穴注入。这被称为阳极短路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，因此加快了关闭机制。

然而，随着大量阳极短路，阳极结的效率降低，因此GTO的开机性能下降。因此，必须仔细考虑这些阳极短管的密度，以获得良好的开关性能。

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操作原理

GTO的打开操作类似于传统的可控硅。当阳极端通过施加正栅极电流使其相对于阴极为正时，从栅极注入的空穴电流正向偏压阴极p基结。

这就导致电子从阴极向阳极端发射。这导致从阳极端向基区注入孔。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，导通最初通过打开与栅端子相邻的阴极区域开始。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由极窄的阴极元件组成，阴极元件与门极极交叉，因此初始开通面积很大，等离子体扩散很小。因此GTO很快进入传导状态。

要关闭一个导电的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抑制阴极电子注入的栅极被提取出来。

因此，更多的空穴电流通过栅极被提取，结果更多的抑制来自阴极的电子。最终，穿过p基结的电压降导致栅阴极结的反向偏压，因此GTO被关闭。

在空穴萃取过程中，p基区逐渐被耗尽，从而导致传导区被挤压。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。这会导致局部热点，这可能会损坏设备，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基区储存了电荷，即使阴极电流停止，阳极到栅极的电流也会继续流动。这被称为尾电流，当多余的载流子在重组过程中减少时，尾电流呈指数衰减。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

在开启过程中，GTO的工作原理类似于可控硅。第一象限的特性和可控硅相似。当阳极相对于阴极成为正极时，器件工作在正向阻塞模式。通过应用正栅信号触发GTO进入传导状态。

如图所示，与可控硅相比，GTO的闭锁电流和正向泄漏电流要高得多。如果阳极电流高于保持电流水平，栅极驱动器可以被移除。

但建议在传导过程中不要移除正栅驱动，并保持在大于最大临界栅电流的值。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低于保持电流水平，这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，一些厂家建议在传导状态下采用连续门信号。

GTO可以通过应用反向栅电流关闭，该反向栅电流可以是步进驱动或斜坡驱动。GTO可以在不反转阳极电压的情况下关闭。图中虚线表示感性负载关闭时的i-v轨迹。需要注意的是，在关闭过程中，GTO只能阻塞一个额定正向电压。

为了避免dv/dt触发并在关闭过程中保护设备，必须在栅极和阴极之间连接一个推荐电阻值，或者必须在栅极端子上保持一个小的反向偏置电压(通常是-2V)。这防止门阴极结向前偏压，因此GTO在关闭状态期间保持。

在GTO的反向偏置条件下，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，由于阳极短结构，GTO在经过较小的反向电压(20 ~ 30 V)后开始反向导电。这种操作模式不会破坏设备，前提是栅极是负偏压的，这种操作的时间应该是小的。

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闸关关可控硅应用

由于优异的开关特性，不需要换向电路，免维护操作等优点，使得GTO在许多应用中优于可控硅。它是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
• 交流稳压电源
• 直流断路器
• 感应加热
• 以及其他低功耗应用

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