1、電力電子技術(shù)論文題目：門極可關(guān)斷(GTO)晶閘管的工作原理及發(fā)展前景班 級：姓 名：序 號：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：郭老師2014年5月20日門極可關(guān)斷(GTO)晶閘管的工作原理及發(fā)展前景引 言電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與IC技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等幾個方面,其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ),也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“龍頭” 。從 年美國通用電氣 公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管開始,電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組和靜止的離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代,這標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。到了70 年代,晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時,非對稱晶閘

2、管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世 ,廣泛應(yīng)用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。由于普通晶閘管不能自關(guān)斷,屬于半控型器件,因而被稱作第一代電力電子器件。在實(shí)際需要的推動下 ,隨著理論研究和工藝水平的不斷提高,電力電子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展,先后出現(xiàn)了 GTR 、GTO、功率MOSET 等自關(guān)斷、全控型器件,被稱為第二代電力電子器件。近年來,電力電子器件正朝著復(fù)合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展,如GPT，MCT，HVIC等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。1.什么是門極關(guān)斷(GTO)晶閘管1964年,

3、美國第一次試制成功了500V/10A 的 GTO。在此后的近10年內(nèi),的容量一直停留在較小水平 ,只在汽車點(diǎn)火裝置和電視機(jī)行掃描電路中進(jìn)行試用。自70 年代中期開始,GTO的研制取得突破,相繼出世了1300V/600A 、2500V/1000A 、4500V/2000A的產(chǎn)品,目前已達(dá)9KV/25KA/800Hz及6Hz/6KA 的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導(dǎo)三種類型。與對稱 下 相比,非對稱通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力。逆導(dǎo)型 GTO 是在同一芯片上將 GTO 與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件,不能承受反向電壓,主要用于中等容量的牽引驅(qū)動中?？申P(guān)斷晶閘管GTO其主要特點(diǎn)

4、為，當(dāng)柵極加負(fù)向觸發(fā)信號時晶閘管能自行關(guān)斷。普通晶閘管（SCR）靠柵極正信號觸發(fā)之后，撤掉信號亦能維持通態(tài)。欲使之關(guān)斷，必須切斷電源，使正向電流低于維持電流IH，或施以反向電壓強(qiáng)近關(guān)斷。這就需要增加換向電路，不僅使設(shè)備的體積重量增大，而且會降低效率，產(chǎn)生波形失真和噪聲?？申P(guān)斷晶閘管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，以具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶體管（GTR），只是工作頻率比GTR低。目前，GTO已達(dá)到4500A、6000V的容量。大功率可關(guān)斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命

5、力?？申P(guān)斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件，其結(jié)構(gòu)及等效電路和普通晶閘管相同，因此圖1僅繪出GTO典型產(chǎn)品的外形及符號。大功率GTO大都制成模塊形式。盡管GTO與SCR的觸發(fā)導(dǎo)通原理相同，但二者的關(guān)斷原理及關(guān)斷方式截然不同。這是由于普通晶閘管在導(dǎo)通之后即處于深度飽和狀態(tài)，而GTO在導(dǎo)通后只能達(dá)到臨界飽和，所以GTO柵極上加負(fù)向觸發(fā)信號即可關(guān)斷。GTO的一個重要參數(shù)就是關(guān)斷增益，off，它等于陽極最大可關(guān)斷電流IATM與柵極最大負(fù)向電流IGM之比，有公式off =IATM/IGMoff一般為幾倍至幾十倍。off值愈大，說明柵極電流對陽極電流的控制能力愈強(qiáng)。很顯然，off與晶體管的hFE參數(shù)頗有相

6、似之處。2 門極可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理GTO有3個引出電極（圖2）, 分別用陽極(A)、陰極(K)、門極(G)表示。正向時，陽極和陰極間加正壓，若門極無電壓,則GTO陽極電壓低于轉(zhuǎn)折電壓時不會導(dǎo)通；若門極加正壓,則GTO在陽極電壓小于轉(zhuǎn)折電壓時被門極觸發(fā)導(dǎo)通(圖1b)。GTO的關(guān)斷是在門極加一定的負(fù)壓，抽出負(fù)電流，使陰極導(dǎo)通區(qū)由接近門極的邊緣向陰極中心區(qū)收縮，可一直收縮到載流子擴(kuò)散長度的數(shù)量級。因?yàn)?GTO的陰極條寬度小,抽流時,P2區(qū)橫向電阻引起的橫向壓降小于門、陰極的反向擊穿電壓。此時,由于GTO不能維持內(nèi)部電流的正反饋，通態(tài)電流開始下降，此過程經(jīng)過一定時間，GTO達(dá)到關(guān)斷?？申P(guān)斷晶

7、閘管特性參數(shù)1、靜態(tài)特性（1）陽極伏安特性（2）通態(tài)壓降特性2、動態(tài)特性GTO的動態(tài)特性是指GTO從斷態(tài)到通態(tài)、從通態(tài)到斷態(tài)的變化過程中，電壓、電流以及功率損耗隨時間變化的規(guī)律。（1） GTO的開通特性當(dāng)陽極施以正電壓，門極注入一定電流時，陽極電流大于擎住電流之后，GTO完全導(dǎo)通。（2） GTO的關(guān)斷特性GTO的門極、陰極加適當(dāng)負(fù)脈沖時，可關(guān)斷導(dǎo)通著的GTO陽極電流。3門極可關(guān)斷晶閘管的優(yōu)缺點(diǎn)可關(guān)斷晶閘管是一種較理想的直流開關(guān)元件，作開關(guān)時，與普通晶閘管相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)是：能自關(guān)斷，不需要復(fù)雜的換流回路；工作頻率高。缺點(diǎn)是：同樣工作條件下擎住電流大。擎住電流指剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并切除門極電流之

8、后，能維持通態(tài)所需的最小陽極電流。關(guān)斷脈沖對功率和負(fù)門極電流的上升率要求高。可關(guān)斷晶閘管與功率晶體管相比,其優(yōu)點(diǎn)是：能實(shí)現(xiàn)高壓、大電流；能耐受浪涌電流；開關(guān)時只需瞬態(tài)脈沖功率。缺點(diǎn)是門控回路比較復(fù)雜。4門極可關(guān)斷晶閘管發(fā)展展望大功率晶閘管（SCR）在過去相當(dāng)一段時間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導(dǎo)體器件。因此，針對SCR的缺點(diǎn)，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關(guān)斷能力這一點(diǎn)上，并因此而開發(fā)出了柵極可關(guān)斷晶閘管GTO。在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中，GTO容量最大工作頻率最低。GTO是電流控制型器件,因而在關(guān)斷時需要很大的反向驅(qū)動電流。GTO通態(tài)壓降大、dV/dT/dt耐量低 ,需

9、要龐大的吸收電路。目前,GTO雖然在低于2000V的某些領(lǐng)域內(nèi)己被GTR和GRT等所替代,但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢 今后 ,它也必將在高壓領(lǐng)域占有一席之地。5電力電子器件發(fā)展展望1.已進(jìn)入實(shí)用化的全控型器件將在功率等級、易于驅(qū)動和更高工作頻率這三個方面繼續(xù)改善和提高。2.由于MCT、IGBT、IGCT等器件的大容量化及實(shí)用化，在更多的領(lǐng)域，IGBT和IGCT將取代GTO。3.IGCT等新型混合器件將逐步得以推廣應(yīng)用。4.功率集成電路將會有更進(jìn)一步的發(fā)展。這將預(yù)示著電力電子技術(shù)將躍入一個新的時代。5.新材料的應(yīng)用砷化稼材料GaAs是一種很有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料。與Si相 比, GaAs有

10、兩個獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 禁帶寬度能量為1.4ev ,較Si 的101ev要高。正因如此 , GaAs整流元件可在350 的高溫下工作 ,具有很好的耐高溫特性,有利于模塊小型化 GaAs 材料的電子遷移率為8000cm/vs ,是Si 材料的5倍,因而同容量的器件幾何尺寸更小,從而可減小寄生電容,提高開關(guān)頻率。當(dāng)然,由于GaAs 材料禁帶寬度大,也帶來正向壓降比較大的不利因素,不過其電子遷移率可在一定程度上補(bǔ)償這種影響。GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用戶中間,廣泛用于制作各種輸出電壓的DC電源 ,用于通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)中。預(yù)計(jì),隨著200V耐壓整流器件生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進(jìn),器件將獲得優(yōu)化,應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U(kuò)大。碳化硅材料SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料,作為Si 和GaAs的重要補(bǔ)充,可制作出性能更加優(yōu)異的高溫300一500 、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。高功率、高壓器件對于公電輸運(yùn)和電動汽車的節(jié)能具有重要意義。己用SiC材料制作出普通晶閘管、雙極晶體管、IGBT, 功率MOSFET, PN結(jié)二極管和肖特基勢壘二極管,廣泛