可關斷晶閘管

可關斷晶閘管是一種通過門極來控制器件導通和關斷的電力半導體器件。GTO既具有普通晶閘管的優點（耐壓高、電流大、耐浪涌能力強、價格便宜），同時又具有GTR的優點（自關斷能力、無須輔助關斷電路、使用方便），是套用於高壓、大容量場合中的一種大功率開關器件。廣泛套用於電力機車的逆變器、電網動態無功補償和大功率直流斬波調速等領域。

基本介紹

• 中文名：可關斷晶閘管
• 外文名：gate turn-off thyristor
• 別稱：門極可關斷晶閘管或門控晶閘管
• 簡稱：GTO
• 特點：具備了自關斷能力，關斷時間短等
• 學科：電子工程術語

簡述

可關斷晶閘管(GTO)又稱門極可關斷晶閘管或門控晶閘管，是晶閘管的一種派生器件。它的主要特點是門極加正脈衝信號觸發管子導通，門極加負脈衝信號觸發管子關斷，因而屬於全控型器件。

可關斷晶閘管既保留了普通單向晶閘管耐壓高、電流大的特性，又具備了自關斷能力，且關斷時間短，不需要複雜的換向電路，工作頻率高，使用方便，但對關斷脈衝信號的脈衝功率和門極負向電流的上升率要求較高。可關斷晶閘管是理想的高壓、大電流開關器件，廣泛用於斬波調速、變頻調速、逆變電源等領域。

結構

可關斷晶閘管的結構和普通單向晶閘管一樣，也是由PNPN四層半導體構成，外部也有三個電極，即門極G、陽極A和陰極K。普通單向晶閘管只構成一個單元器件，而可關斷晶閘管則構成一種多元的功率集成器件，它的內部包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO單元。為了實現門極控制關斷，而將這些小GTO單元的陰極和門極特別設計成在器件內部並聯。

圖1 GTO外形及符號

可關斷晶閘管在電路中常用字母GTO表示，小功率可關斷晶閘管的外形及電路符號見圖1，大功率可關斷晶閘管多採用圓盤狀或模組型式。國產可關斷晶閘管常用型號有先鋒( XUNFO)、光寶( LITEON)、柳晶(LIUJING) GT050A～1000A等系列。進口可關斷晶閘管常用型號有日本富士通公司(FUJITSU)EF3003AM系列，日本東芝公司(TOSHIBA) SG600EX、SG800EX、SG1000EX系列，瑞士阿西布朗勃法瑞公司(ABB)SSGA、5SGF、5SGR系列，日本三菱公司(MITSUBISHI)FG1000BV、FG3000DV、FG2000FX、FG3000GX系列，日本日立公司(HIT) GFP2000G40、GFP4000G40系列等。

特性

普通單向晶閘管靠控制極信號觸發之後，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於正向轉折電壓時，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，導通後的管壓降比較大，一般為2～3V。

由於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於零後才能施加電壓），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。

主要參數

GTO的基本參數與普通晶閘管大多相同，不同的主要參數敘述如下。

(1)最大可關斷陽極電流I_ATO。GTO的陽極電流允許值受兩方面因素的限制：一是額定工作結溫，其決定了GTO的平均電流額定值；二是關斷失敗。所以GTO必須規定一個最大可關斷陽極電流I_ATO作為其容量，I_ATO即管子的銘牌電流。

在實際套用中，可關斷陽極電流I_ATO受以下因素的影響：門極關斷負電流波形、陽極電壓上升率、工作頻率及電路參數的變化等，在套用中應予特別注意。

(2)關斷增益β_off。關斷增益β_off為最大可關斷電流I_ATO與門極負電流最大值I_GM之比，即

β_off表示GTO的關斷能力。當門極負電流上升率一定時，β_off隨可關斷陽極電流的增加而增加；當可關斷陽極電流一定時，β_off隨門極負電流上升率的增加而減小。

採用適當的門極電路，很容易獲得上升率較快、幅值足夠的門極負電流。因此，在實際套用中不必追求過高的關斷增益。

(3)陽極尖峰電壓U_P。陽極尖峰電壓U_P是在GTO關斷過程中的下降時間t_f尾部出現的極值電壓。U_P的大小是GTO緩衝電路中的雜散電感與陽極電流在t_f內變化率的乘積。因此，當GTO的陽極電流增加時，尖峰電壓幾乎線性增加，當U_P增加到一定值時，GTO因P_off過大而損壞。由於U_P限制可關斷峰值電流的增加，故GTO的生產廠’家一般把U_P值作為參數提供給用戶。

為減小U_P，必須儘量縮短緩衝電路的引線，減小雜散電感，並採用快恢復二極體及無感電容。

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，餘下為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），錶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

儘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。這是由於普通單向晶閘管在導通之後即處於深度飽和狀態，而可關斷晶閘管在導通後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後，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後，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。使晶閘管導通並維持，此時表1指針向右偏轉為低電阻值。然後將萬用表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。