可关断可控硅原理

一种施加适当极性的门极信号﹐可从通态转换到断态或从断态转换到通态的三端可控硅。一般用GTO表示﹐也可表示为GCS。

GTO的符号及正向稳态伏安特性如图1GTO符号(a)和正向稳态伏安特性(b)所示。

GTO是一种较理想的直流开关元件﹐作开关时﹐与普通可控硅(晶闸管)相比﹐最突出的优点是﹕能自关断﹐不需要复杂的换流回路﹔工作频率高。缺点是﹕同样工作条件下擎住电流大。擎住电流指刚从断态转入通态并切除门极电流之后﹐能维持通态所需的最小阳极电流。关断脉冲对功率和负门极电流的上升率要求高。

GTO与功率晶体管相比﹐其优点是﹕能实现高压﹑大电流﹔能耐受浪涌电流﹔开关时只需瞬态脉冲功率。缺点是门控回路比较复杂。

结构和工作原理GTO有3个引出电极(图2 GTO单元结构)﹐分别用阳极(A)﹑阴极(K)﹑门极(G)表示。正向时﹐阳极和阴极间加正压﹐若门极无电压﹐则GTO阳极电压低于转折电压时不会导通﹔若门极加正压﹐则GTO在阳极电压小于转折电压时被门极触发导通(图1b GTO符号(a)和正向稳态伏安特性(b) )。

GTO的关断是在门极加一定的负压﹐抽出负电流﹐使阴极导通区由接近门极的边缘向阴极中心区收缩﹐可一直收缩到载流子扩散长度的数量级。因为﹐GTO的阴极条宽度小﹐抽流时﹐P区横向电阻引起的横向压降小于门﹑阴极的反向击穿电压。此时﹐由于GTO不能维持内部电流的正反馈﹐通态电流开始下降﹐此过程经过一定时间﹐GTO达到关断。

GTO在感应加热调节器﹑静止变频器﹑电力机车的电工设备等方面得到广泛应用﹐其发展方向是高频﹑高压﹑大电流。

门极辅助关断可控硅在阳极电流过零反向后的某一时刻门极才加负压﹐使器件恢复阻断的GTO。门极辅助关断可控硅通常采用放大门极和阴极短路结构﹐门﹑阴极图形采用高度交叉指状结构。这种器件的优点守断时间短﹐开通特性好﹐允许的通态电流上升率和通态电压上升率较高。它可用来构成斩波器﹑逆变器等工作频率较高的电路。