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。亚博彩票下载我们将学习其施工,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。

GTO.

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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,在传导状态期间,GTO行为就像一个晶闸管,在状态电压下降。GTO具有比晶闸管更快的开关速度,并且具有比功率晶体管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)。

这些不对称的GTO具有可观的反向电压能力(通常为20至25V)。使用它们永远不会发生的反向电压或者反向导电二极管在电路上连接。本文仅介绍了关于不对称GTO。亚博彩票下载

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建造

考虑到GTO的以下结构,几乎与晶闸管相似。它也是一个四层,三个接合P-N-P-N装置,如标准晶闸管。在此,阴极端处的N +层高度掺杂以获得高发射极效率。该结果结j3的击穿电压低,其通常在20至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。

GTO建设

P +阳极和N基底之间的连接称为阳极结。需要重掺杂的P +阳极区域以获得更高效率的阳极连接,从而实现了良好的开启性能。但是,关闭功能受此类GTO的影响。

通过以P +阳极层以规则的间隔引入重掺杂的N +层,可以通过P +阳极层的规则间隔引入这个问题来解决该问题。因此,该n +层在结j1处与n层直接接触。这导致电子从基部N区域直接从基部N区域行进到阳极金属触点,而不会引起来自P +阳极的空穴注入。这被称为作为阳极短的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。亚博彩票下载

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工作原理

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。

这导致从阴极向阳极端子发射电子。这诱导从阳极端子进入基部区域的空穴注入。这种孔和电子注入连续直到GTO进入导通状态。

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打开和关闭

为了关闭导电GTO,通过使栅极相对于阴极使栅极负极在栅极处施加反向偏压。通过栅极提取来自P基层的孔的一部分,该栅极抑制了从阴极注入电子的栅极。

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基部区域逐渐耗尽,使得传导区域挤压。当该过程连续时,阳极电流流过形成高电流密度长丝的偏远区域。这导致局部热点,除非这些长丝迅速熄灭,否则可能会损坏设备。

通过施加高负栅极电压,这些长丝迅速熄灭。由于N基区域存储电荷,即使阴极电流停止,阳极到栅极电流也继续流动。这被称为尾电流,其随着过度电荷载流子通过重组过程减小而指数衰减。一旦尾电流减小到漏电流水平,设备就会保留其前向阻塞特性。

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V-I特征

在开启期间,GTO在其操作中类似于晶闸管。所以第一个象限特征与晶闸管类似。当相对于阴极进行正极的阳极时,该装置以前向阻挡模式操作。通过应用正栅极信号将GTO触发到导通状态。

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。

但建议不要在传导期间拆下正栅极驱动器,并以比最大临界栅极电流更高的值。这是因为如上所述,阴极被细分为小指元件,以帮助关闭过程。

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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门关闭晶闸管应用

由于优势如出色的开关特性,不需要换向电路,免维护操作等使得GTO使用在许多应用中的晶闸管上占主导地位。它用作大声和逆变器中的主控制装置。其中一些应用程序是

  • 交流驱动器
  • DC驱动器或直流斩波器
  • 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. 你好。我正在使用GTO和Arduino设计自动加热器控制(打开和关闭)。那么如何关闭220V和30A提供的加热器?或者你能建议一个更好的交换机吗?

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