第六章可關(guān)斷晶閘管（GTO）特點(diǎn)：是SCR的一種派生器件；具有SCR的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，耐壓高、電流大、耐浪涌能力強(qiáng)，造價(jià)便宜；為全控型器件，工作頻率高，控制功率小，線路簡(jiǎn)單，使用方便。§6.1GTO結(jié)構(gòu)及工作原理GateTurn-offThyristor——GTO一、結(jié)構(gòu)：四層PNPN結(jié)構(gòu)，三端器件；特點(diǎn)：①α1<α2P1N1P2管不靈敏，N1P2N2管靈敏。②α1+α2略大于1；器件工作于臨界飽和狀態(tài)，使關(guān)斷成為可能。③多元集成結(jié)構(gòu)，由數(shù)百個(gè)小GTO元并聯(lián)形成。由于GTO的多元結(jié)構(gòu)，開通和關(guān)斷過(guò)程與SCR不同，同時(shí)GTO元的特性又不同于整個(gè)GTO器件的特性，多元集成使GTO的開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生了一系列新的問(wèn)題。二、GTO開通原理：與SCR一樣，由正反饋控制過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中：開通條件：α1+α2>1定義：α1+α2=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流為臨界導(dǎo)通電流。——擎住電流三、GTO關(guān)斷原理：如圖關(guān)斷等效電路關(guān)斷過(guò)程分為三個(gè)階段：存儲(chǔ)時(shí)間階段：ts下降階段：tf尾部階段：tt①存儲(chǔ)時(shí)間階段：ts用門極負(fù)脈沖電壓抽出P2基區(qū)的存儲(chǔ)電荷階段。②下降階段：tfIG變化到最大值－IGM時(shí)，P1N1P2晶體管退出飽和，N1P2N2晶體管恢復(fù)控制能力，α1、α2不斷減小，內(nèi)部正反饋停止。陽(yáng)極電流開始下降，電壓上升，關(guān)斷損耗較大。尤其在感性負(fù)載條件下，陽(yáng)極電壓、電流可能同時(shí)出現(xiàn)最大值，此時(shí)關(guān)斷損耗尤為突出。關(guān)斷條件：α1+α2<1被關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流電流關(guān)斷增益：一般：3~8③尾部階段：tt此時(shí)，VAK上升，如果dv/dt較大，可能有位移電流通過(guò)P2N1結(jié)，引起等效晶體管的正反饋過(guò)程，嚴(yán)重會(huì)造成GTO再次導(dǎo)通，輕則出現(xiàn)iA的增大過(guò)程。如果能使門極驅(qū)動(dòng)負(fù)脈沖電壓幅值緩慢衰減，門極保持適當(dāng)負(fù)電壓，可縮短尾部時(shí)間。四、GTO的失效原理：GTO失效是由于某一GTO元過(guò)電流損壞引起。一般，容易導(dǎo)通的GTO，難于關(guān)斷；難導(dǎo)通的，則易關(guān)斷。大容量GTO防止失效，則工藝要求嚴(yán)格，如大面積擴(kuò)散工藝，提高少子壽命的均勻性。目前：6000A/6000V水平?！?.2特性與參數(shù)一、靜態(tài)特性1．陽(yáng)極伏安特性定義：正向額定電壓為90%VDRM反向額定電壓為90%VRRM*減小溫度影響，可在門極與陰極間并一個(gè)電阻毛刺電流2．通態(tài)壓降特性通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗越小3．安全工作區(qū)與GTR和功率MOSFET不同，門極加正觸發(fā)信號(hào)時(shí)（正向偏置），無(wú)安全工作區(qū)問(wèn)題，只有瞬時(shí)浪涌電流的規(guī)定值。當(dāng)門極加負(fù)脈沖關(guān)斷信號(hào)時(shí)（反向偏置），有安全工作區(qū)問(wèn)題。定義：在一定條件下，GTO能可靠關(guān)斷的陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓的軌跡。與門極驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路參數(shù)有關(guān)。二、動(dòng)態(tài)特性1．開通特性：開通時(shí)間：ton=td+tr由元件特性、門極電流上升率diG/dt及門極脈沖幅值大小決定。上升時(shí)間內(nèi)，開通損耗較大；陽(yáng)極電壓一定時(shí)，開通損耗隨陽(yáng)極電流增大而增大。延遲時(shí)間上升時(shí)間③尾部時(shí)間tt是指從陽(yáng)極電流降到極小值開始，到最終達(dá)到維持電流為止的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)仍有殘存的載流子被抽出，但陽(yáng)極電壓已建立，因此容易由于過(guò)高的重加電壓dv/dt使GTO關(guān)斷失效。應(yīng)設(shè)計(jì)合適的緩沖電路。一般，尾部時(shí)間會(huì)隨存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)過(guò)大的門極反向電流上升率dIGR/dt增大而延長(zhǎng)。④門極動(dòng)態(tài)特性：門極負(fù)電壓、負(fù)電流波形。門極負(fù)電流的最大值隨陽(yáng)極可關(guān)斷電流的增大而增大。門極負(fù)電流的增長(zhǎng)速度與門極所加的負(fù)電壓及門極參數(shù)有關(guān)。如果門極電路中有較大的電感，會(huì)使門極-陰極結(jié)進(jìn)入雪崩狀態(tài)，陰極產(chǎn)生反向電流，雪崩時(shí)間tBR。應(yīng)用中，防止雪崩電流過(guò)大損壞門極-陰極，或不使門極-陰極產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，保證門極反向電壓不超過(guò)門極雪崩電壓VGR。門極信號(hào)線要雙絞線。三、主要參數(shù)1．最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATOGTO陽(yáng)極電流受溫度和電流的雙重影響，溫度高、電流大時(shí)，α1+α2略大于1的條件可能被破壞，使器件飽和深度加深，導(dǎo)致門極關(guān)斷失效。IATO還和工作頻率、再加電壓、陽(yáng)極電壓上升率dv/dt、門極負(fù)電流的波形和電路參數(shù)變化有關(guān)。2．關(guān)斷增益βoff

影響IATO的因素都會(huì)影響βoff

；一般，當(dāng)門極負(fù)電流上升率一定時(shí)，關(guān)斷增益隨可關(guān)斷陽(yáng)極電流的增加而增加；當(dāng)可關(guān)斷陽(yáng)極電流一定時(shí)，關(guān)斷增益隨門極負(fù)電流上升率的增加而減小。3．陽(yáng)極尖峰電壓VPVP是在下降時(shí)間末尾出現(xiàn)的極值電壓，隨陽(yáng)極關(guān)斷電流線性增加，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致GTO失效。VP的產(chǎn)生是由緩沖電路中的引線電感、二極管正向恢復(fù)電壓和電容中的電感造成的，減小VP應(yīng)盡量縮短緩沖電路的引線，采用快恢復(fù)二極管和無(wú)感電容。4．dv/dt和di/dt①dv/dt：靜態(tài)dv/dt指GTO阻斷時(shí)所能承受的最大電壓上升率，過(guò)高會(huì)使GTO結(jié)電容流過(guò)較大的位移電流，使α增大，印發(fā)誤導(dǎo)通。結(jié)溫和陽(yáng)極電壓越高，GTO承受靜態(tài)dv/dt能力越低；門極反偏電壓越高，靜態(tài)dv/dt耐量越高。（并聯(lián)電阻）動(dòng)態(tài)dv/dt也稱重加dv/dt，是GTO在關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電壓的上升率。重加dv/dt會(huì)使瞬時(shí)關(guān)斷損耗增大，也會(huì)導(dǎo)致GTO損壞。（吸收回路）7．維持電流GTO的維持電流指陽(yáng)極電流減小到開始出現(xiàn)GTO元不能再維持導(dǎo)通時(shí)的數(shù)值。因?yàn)槿鬐TO在陽(yáng)極電流紋波較大的情況下工作時(shí)，當(dāng)電流瞬時(shí)值到達(dá)最低時(shí)，因GTO元間電流分布不均勻，以及維持電流值的差異，其中部分GTO元因電流小于其維持電流值而截止，則在陽(yáng)極電流回復(fù)到較高值時(shí)，已截止的GTO元不能再導(dǎo)電，于是導(dǎo)電的GTO元的電流密度增大，出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)。8．擎住電流GTO經(jīng)門極觸發(fā)后，陽(yáng)極電流上升到保持所有GTO元導(dǎo)通的最低值即擎住電流值。擎住電流最大的GTO元影響最大。當(dāng)門極電流脈沖寬度不足時(shí)，門極脈沖電流下降沿越陡，GTO的擎住電流值將增大。9．開通時(shí)間：ton為滯后時(shí)間td和上升時(shí)間tr之和。隨通態(tài)平均電流值的增大而增大1~2us10．關(guān)斷時(shí)間：toff為存儲(chǔ)時(shí)間ts與下降時(shí)間tf之和。隨陽(yáng)極電流增大而增大2us可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)和電氣特性:（4）引入緩沖電路可以提高GTO關(guān)斷能力。二、緩沖電路的工作原理如圖：GTO直流斬波器電路阻尼電阻三、緩沖電路參數(shù)估算及安裝工藝（一）電路參數(shù)估算1．緩沖電感LA：由di/dt估算2．緩沖電容CS：由dv/dt估算3．緩沖電阻RS：阻尼LA與CS形成諧振GTO開關(guān)頻率為f時(shí),電阻功率：4．阻尼電阻RA：選定阻尼系數(shù)時(shí)：一般RA<RS，§6.4門極控制技術(shù)一、概述可關(guān)斷品閘管由門極正脈沖控制導(dǎo)通，負(fù)脈沖控制關(guān)斷。在工作機(jī)理上，開通時(shí)與SCR大致相似，關(guān)斷時(shí)則完全不同。影響GTO導(dǎo)通的主要因素有；陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流、溫度和開通控制信號(hào)的波形。陽(yáng)極電壓越高，GTO越容易導(dǎo)通．陽(yáng)極電流較大時(shí)易于維持大面積飽和導(dǎo)通。溫度低觸發(fā)困難，溫度高容易觸發(fā)。影響GTO關(guān)斷的主要因素有：被關(guān)斷的陽(yáng)極電流，負(fù)載阻抗性質(zhì)、溫度、工作頻率、緩沖電路和關(guān)斷控制信號(hào)波形等。陽(yáng)極電流越大，關(guān)斷越因難。電感性負(fù)載較難關(guān)斷，結(jié)溫越高越難關(guān)斷，結(jié)溫過(guò)高甚至?xí)霈F(xiàn)關(guān)不斷的現(xiàn)象。工作頻率高關(guān)斷亦困難。對(duì)關(guān)斷信號(hào)的波形更有特殊的要求。GTO的門極控制技術(shù)關(guān)鍵在于關(guān)斷。二、門極驅(qū)動(dòng)特性1．門極控制信號(hào)理想波形2．開通控制及波形要求：門極開通控制電流信號(hào)的波形要求是：脈沖的前沿陡、幅度高、寬度大、后沿緩。脈沖前沿對(duì)結(jié)電容充電，前沿陡充電快，正向門極電流建立迅速，有利于GTO的快速導(dǎo)通。一般取門極開通電流變化率為dIGF/dt為5—10A/us。門極正脈沖幅度高可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)觸發(fā)，一般該值比額定直流觸發(fā)電流大3~10倍，為快速開通甚至還可以提高該值。門極觸發(fā)電流的幅值不同，相應(yīng)的開通時(shí)間亦不同。強(qiáng)觸發(fā)有利于縮短開通時(shí)間，減小開通損耗，降低管壓降，適于低溫觸發(fā)并易于GTO串并聯(lián)運(yùn)行。觸發(fā)電流脈沖的寬度用來(lái)保證陽(yáng)極電流的可靠建立，一般定為10~60us。后沿則應(yīng)盡量緩一些，后沿過(guò)陡會(huì)產(chǎn)生振蕩。門極關(guān)斷控制電壓脈沖的后沿要盡量平緩一些。如果坡度太陡，由于結(jié)電容效應(yīng)，盡管門極電壓是負(fù)的，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)門極電流。這個(gè)正向門極電流有使GTO開通的可能。即使因?yàn)檫@個(gè)正向門極電流時(shí)間短或幅度小，不足以使GTO開通，也會(huì)使剛剛關(guān)斷的GT0耐壓和陽(yáng)極承受dv/dt的耐量降低，影響GTO的正常工作。三、門極控制電路1．控制電路結(jié)構(gòu)：２．供電方式及電路參數(shù)對(duì)門極控制的影響①供電方式的影響：?jiǎn)坞娫垂╇姺绞诫p電源供電方式脈沖變壓器方式單電源供電方式和雙電源供電方式用于300A以下GTO的控制。脈沖變壓器方式用于300A以上GTO控制。雙電源方式比單電源方式可關(guān)斷陽(yáng)極電流要大；門極負(fù)電源增加，可關(guān)斷陽(yáng)極電流也增加。②電路參數(shù)的影響：a.串并聯(lián)電阻和電容的影響

GTO門極回路中串聯(lián)電阻，將阻礙門極電流的抽出。若電阻過(guò)大且門極電壓不高，會(huì)使門極電流過(guò)小，導(dǎo)致陽(yáng)極電流的關(guān)斷能力下降，甚至?xí)霈F(xiàn)關(guān)不斷的現(xiàn)象。一般，大功率GTO應(yīng)用中該電阻只是毫歐數(shù)量級(jí)，有時(shí)根本不串電阻并盡量縮短門極引線長(zhǎng)度，以便減小門極電阻和不必要的引線電感。門極回路中并聯(lián)電阻或電容，相當(dāng)于外加短路發(fā)射極，可以提高GTO的dv/dt耐量，增加熱穩(wěn)定性。并聯(lián)電阻越小，電容越大，陽(yáng)極電壓的溫度范圍越寬，熱穩(wěn)定性越好。b.串聯(lián)電感的影響門極串聯(lián)微亨級(jí)小電感，可以限制門極電流上升率，提高關(guān)斷能力。由于電感的作用，在門極電流下降時(shí)，延長(zhǎng)其作用時(shí)間，等效加寬關(guān)斷信號(hào)寬度。另外，電感產(chǎn)生的反向電壓可使門極處于短時(shí)間的雪崩狀態(tài)，有利于載流子從門極抽出，使可關(guān)斷陽(yáng)極電流增加。串入電感，使GTO的存儲(chǔ)時(shí)間，下降時(shí)間和雪崩時(shí)間均加長(zhǎng)，關(guān)斷增益提高，尾部電流的起始值IT1減小。c.門極反偏電壓的影響如上圖，門極反偏電壓越高，可關(guān)斷陽(yáng)極電流越大；陽(yáng)極dv/dt耐量越大，有利于GTO安全運(yùn)行。四、門極驅(qū)動(dòng)型式：1．直接驅(qū)動(dòng)：門極驅(qū)動(dòng)電路直接和GTO門極相連。優(yōu)點(diǎn)：輸出電流脈沖的前沿陡度好，門極脈沖波形干凈，易于消除寄生振蕩和排除寄生振蕩產(chǎn)生的門極瞬時(shí)過(guò)電流或過(guò)電壓。缺點(diǎn)：由于直接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路中的半導(dǎo)體開關(guān)器件必須直接承擔(dān)GTO的門極電流，故開關(guān)器件的電流比較大，由于門—陰極間內(nèi)阻小，尤其動(dòng)態(tài)內(nèi)阻更小，用晶體管驅(qū)動(dòng)時(shí)，晶體管很難飽和，因此，功耗大、效率低。為了安全，驅(qū)動(dòng)電路電源必須和控制系統(tǒng)電源隔離。2．間接驅(qū)動(dòng)：間接驅(qū)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)脈沖輸出變壓器與GTO門極相連接。優(yōu)點(diǎn)：GTO主電路與門極控制電路之間有變壓器做電隔離，對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)較為安全。利用變壓器可進(jìn)行合理的阻抗配合，使驅(qū)動(dòng)電路的脈沖功率放大器件電流可以大幅度減小。缺點(diǎn)：輸出變壓器的漏感使輸出電流脈沖前沿徒度受到限制，輸出變壓器帶來(lái)的寄生電感和電容易產(chǎn)生高頻寄生振蕩，致使門極脈沖前后沿出現(xiàn)電壓和電流寄生振蕩，有可能出現(xiàn)門極瞬時(shí)過(guò)電壓或過(guò)電流，而且造成GTO不能干凈利落地開通和關(guān)斷。五、門極控制電路實(shí)例：直接驅(qū)動(dòng)開通和關(guān)斷的門極電路§6.５GTO的串并聯(lián)GTO是目前耐壓最高，電流容量最大約全控型電力半導(dǎo)體器件，因而在高電壓、大容量的應(yīng)用領(lǐng)域如機(jī)車牽引，大容量不停電電源、高壓電機(jī)的供電與調(diào)速等應(yīng)用中具有無(wú)可爭(zhēng)辯的優(yōu)勢(shì)。但是，隨著整機(jī)設(shè)備電流容量和電壓等級(jí)的不斷提高，GTO器件也必須串、并聯(lián)使用。一、GTO串聯(lián)使用解決靜、動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}靜態(tài)采用均壓電阻動(dòng)態(tài)采用均壓電感二、GTO并聯(lián)使用：主要解決器件間動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題由于GTO器件自身的特點(diǎn)，在并聯(lián)使用中尚需注意：(1)GTO具有最大陽(yáng)極可關(guān)斷電流，并聯(lián)支路中不平衡電流不能超過(guò)此值，否則有被損壞的危險(xiǎn)。(2)GTO內(nèi)部為若干GTO元并聯(lián)而成，因而對(duì)于開關(guān)損耗的均衡分布有嚴(yán)格的要求，否則會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱，造成損壞。為此，要求并聯(lián)GTO的開關(guān)損耗也要均衡。(3)GT0的可關(guān)斷陽(yáng)極電流、開通延遲時(shí)間以及存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)與門極開通相關(guān)斷脈沖密切相關(guān)，因而門極電路的參數(shù)對(duì)并聯(lián)使用有一定影響。(4)GTO為快速大功率器件，電路結(jié)構(gòu)、陰極引線電感和均流電抗器漏電感等參數(shù)對(duì)并聯(lián)使用均有影響。一般常見(jiàn)：強(qiáng)迫均流法和直接并聯(lián)法?！?.6GTO的過(guò)電流保護(hù)一、過(guò)電流的產(chǎn)生與過(guò)電流特性GTO主要應(yīng)用于大容量的斬波器、逆變器及開關(guān)電路中，其中最引入關(guān)注的問(wèn)題是由于各種原因造成的短路過(guò)電流現(xiàn)象，因?yàn)樗鼑?yán)重地威脅著器件乃至整機(jī)設(shè)備的安全。為此，必須研究過(guò)電流產(chǎn)生的原因以及如何在過(guò)電流情況下采取措施保護(hù)措施。1．過(guò)電流產(chǎn)生原因：過(guò)載和短路過(guò)載電流可用反饋控制法進(jìn)行保護(hù)。短路過(guò)電流原因有：①逆變器的橋臂短路②輸出端線間短路（電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)）③輸出端線對(duì)地短路2．過(guò)電流特性：較SCR和GTR復(fù)雜，GTO的門極處于正向偏置時(shí)，GTO開通，只有電流有效值，浪涌電流和I2t的限制，沒(méi)有安全工作區(qū)的規(guī)定。門極處于反向偏置時(shí)，GTO處于關(guān)斷過(guò)程，此時(shí)有最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流的限制，并有反向偏置安全工作區(qū)。過(guò)電流保護(hù)可從兩方面考慮；一是熱保護(hù)，GTO不能因?yàn)檫^(guò)載超過(guò)所規(guī)定的結(jié)溫；二是電保護(hù)，超過(guò)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流進(jìn)行關(guān)斷時(shí)，會(huì)因電流局部集中燒壞器件或根本關(guān)不斷。發(fā)生過(guò)電流時(shí)，希望過(guò)電流在未超過(guò)所允許的最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流時(shí)迅速撤除門極關(guān)斷信號(hào)，利用浪捅能力進(jìn)行保護(hù)；或在未超過(guò)最大陽(yáng)極可關(guān)斷電流范圍內(nèi)使GTO迅速關(guān)斷。二、狀態(tài)識(shí)別過(guò)電流保護(hù)法：1．通態(tài)壓降識(shí)別法：缺點(diǎn)：導(dǎo)通時(shí)若GT0短路，通態(tài)壓降升高將滯后于電流上升，這種延遲作用影響保護(hù)動(dòng)作的靈敏性。另外，GTO開通時(shí)的最初幾微秒內(nèi)，由于封鎖了保護(hù)電路，在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)“保護(hù)盲區(qū)”，因此不能進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。2．存儲(chǔ)時(shí)間識(shí)別法：利用存儲(chǔ)時(shí)間和陽(yáng)極電流的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量存儲(chǔ)時(shí)間判斷過(guò)流。三、橋臂互鎖保護(hù)法：在橋式逆變電路中，同一橋臂上二個(gè)支路的兩個(gè)GTO的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須是互鎖的，以保證在任何情況下兩個(gè)GTO不同時(shí)導(dǎo)通。但是，如果一個(gè)GTO關(guān)斷失效后，另一個(gè)GTO仍繼續(xù)觸發(fā)導(dǎo)通，由此造成短路事故。為此可通過(guò)對(duì)GTO開關(guān)狀態(tài)的識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)GTO門極驅(qū)動(dòng)的聯(lián)鎖。GTO的開關(guān)狀態(tài)識(shí)別方法之一是由門極電壓與電