门关闭晶闸管

在本教程中,我们将了解一个特殊类型的晶闸管,称为门关闭晶闸管。我们将学习其施工,电路符号,V-I特性,操作原理和栅极的一些常用应用的栅极关闭晶闸管。

介绍

虽然晶闸管广泛用于高功率应用中,但它始终遭受半控制设备。即使通过施加栅极信号可以通过施加栅极信号接通,它必须通过使用换向电路中断主电流来关闭。

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(如在交流电路中),这就成为晶闸管的严重缺陷。因此,闸极关断晶闸管(GTO)的研制通过确保闸极端有关断机制,解决了晶闸管的主要问题。

矩形脉冲断开

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门关断晶闸管基础

栅极关闭晶闸管或GTO是三端,双极(电流控制的少数载波)半导体开关装置。与传统的晶闸管类似,终端是阳极,阴极和栅极,如下图所示。当名称表示时,它具有门关闭功能。

这些能够使用栅极驱动电路打开主电流,但也可以将其关闭。小的正栅电流触发GTO将GTO转化为导通模式,并且还可以通过栅极上的负脉冲,它能够关闭。在下面的图中观察到栅极有双箭头,将GTO与正常晶闸管区分开来。这表示双向电流流过栅极终端。

GTO符号

关闭GTO所需的栅极电流相对较高。例如,一个额定4000V和3000A的GTO可能需要-750A的栅极电流来关闭它。因此GTO的典型关断增益较低,在4 ~ 5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,在导通状态下,GTO的行为就像晶闸管有一个小的On态电压降。GTO比晶闸管具有更快的开关速度,比功率晶体管具有更高的电压和电流额定值。

今天的几种GTO可以在今天的市场上提供,但具有不对称和对称的电压能力。具有相同前向和反向阻塞功能的GTO称为对称GTO(S-GTO)。这些用于电流源逆变器,但这些都稍微慢。由于其较低的状态电压降和稳定的温度特性,由于其较低的使用而主要使用不对称的GTOS(A-GTOS)。

这些非对称gto具有可观的反向电压能力(通常为20 - 25v)。这些用于不会产生反向电压或在电路中连接反向导电二极管的情况。本文只描述了不对称gto。

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建设

考虑GTO下面的结构,它与可控硅几乎相似。它也是一个类似标准晶闸管的四层,三结pnpn器件。在这种方法中,阴极端的n+层被高度掺杂以获得高的发射效率。结果J3结的击穿电压很低,通常在20 ~ 40伏的范围内。

p型栅的掺杂水平是高梯度的,因为为了保持高的发射效率,掺杂水平应该是低的,而为了有良好的关闭特性,这个区域的掺杂水平应该是高的。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。

矩形脉冲断开建设

P+阳极和N基之间的结称为阳极结。一个重掺杂的P+阳极区域需要获得更高的效率阳极结,从而获得良好的打开性能。然而,关闭能力受到这种gto的影响。

如图所示,通过在P+阳极层中按一定的间隔引入重掺杂N+层,可以解决这个问题。所以这个N+层与N层在J1结直接接触。这使得电子从基极N区直接向阳极金属接触区移动,而不引起P+阳极空穴注入。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,通过大量的阳极短路,阳极结的效率降低,因此转动GTO的性能降低。因此,必须仔细考虑这些阳极短路的密度,以便良好的开启和关闭性能。

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操作原理

GTO的开启操作类似于传统的晶闸管。当阳极端子通过施加正栅极电流而相对于阴极进行正极,孔电流从栅极向前偏置阴极P基极结。

这导致电子从阴极向阳极端发射。这就导致了从阳极端到基极区域的空穴注入。这种空穴和电子的持续注入直到GTO进入导电状态。

在晶闸管的情况下,通过打开与栅极端子相邻的阴极区域的导通开始。因此,通过等离子体扩散剩余区域进入导通。

与晶闸管不同,GTO由窄阴极元件组成,该窄阴极元件与栅极端子大量交叉,从而初始导通面积非常大,等离子扩散较小。因此,GTO非常快速地进入导通状态。

GTO开关

为了关闭导电性GTO,在栅极施加反向偏压,使栅极相对于阴极为负。从P基层的部分空穴被通过抑制从阴极注入电子的栅极提取出来。

响应于此,通过栅极提取更多的孔电流,从而将电子从阴极更抑制电子。最终,P基本结的电压降导致反向偏置栅极阴极结,从而关闭GTO。

在空穴提取过程中,p-base区域逐渐耗尽,导致导通区域受到挤压。随着这一过程的持续,阳极电流流过遥远的地区形成高电流密度灯丝。这将导致局部热点,可能损坏设备,除非这些灯丝迅速熄灭。

通过高负栅电压的应用,这些灯丝迅速熄灭。由于N基区储存电荷,阳极到栅极电流继续流动,即使阴极电流停止。这被称为尾部电流,当多余载流子在重组过程中减少时,尾部电流呈指数衰减。一旦尾电流降低到泄漏电流水平,该装置保持其前向阻塞特性。

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V-I特征

在开机过程中,GTO的工作原理与晶闸管类似。所以第一象限的特性和晶闸管很相似。当阳极相对于阴极为正时,器件以正向阻塞模式工作。利用正栅极信号触发GTO进入导通状态。

与晶闸管相比,GTO电流和正向泄漏电流的锁存电流和正向泄漏电流相比,如图所示。如果阳极电流高于保持电流水平,则可以移除栅极驱动器。

但建议在传导期间不要移除正栅极驱动,并保持大于最大临界栅极电流的值。这是因为阴极被细分为小手指元件如上所述,以协助关断过程。

这导致阳极电流瞬间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GTO。这可能是潜在的破坏性。因此,一些制造商推荐在导通状态下使用连续栅极信号。

矩形脉冲断开特点

可以通过施加反向栅电流来关闭GTO,这可以是步骤或斜坡驱动器。可以关闭GTO而不反转阳极电压。图中的虚线显示了在关闭时的I-V轨迹以进行归纳。应该注意,在关闭期间,GTO只能阻挡额定正向电压。

为避免DV / DT触发和保护装置在关闭期间,必须在栅极和阴极之间连接电阻的推荐值,或者必须在栅极端子上保持小的反向偏置电压(通常为-2V)。这可以防止栅极阴极交界处成为向前偏置,因此在关闭状态期间GTO维持。

在GTO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。

观察到,在反向偏置条件期间,在小的反向电压(20至30V)GTO由于阳极短结构引起的沿反向导通之后。此操作模式不会破坏设备,只要栅极被偏置偏置并且该操作的时间应该很小。

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门关断可控硅的应用

由于GTO具有优良的开关特性、不需要换流电路、无需维护等优点,使其在许多应用中超过晶闸管。它是斩波和逆变器的主要控制装置。其中一些应用是

  • 交流驱动器
  • 直流驱动器或直流斩波
  • 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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2回复

  1. 嗨。我正在设计一个自动加热器控制(打开和关闭)使用GTO和arduino。那么我怎样才能关掉220V和30A的加热器呢?或者你能建议一个更好的转换吗?

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