闸极关闭晶闸管

在本教程中，我们将学习一种特殊类型的晶闸管，称为栅极关闭晶闸管。我们将学习它的结构、电路符号、V-I特性、工作原理以及一些众所周知的闸极关闭晶闸管的应用。

介绍

虽然晶闸管在大功率应用中得到了广泛的应用，但它始终处于半控制状态。即使它可以通过施加门信号来打开，它也必须通过使用换向电路来中断主电流来关闭。

在DC到DC和DC到AC转换电路的情况下，由于没有自然电流为零，这与晶闸管的严重缺陷（如在AC电路的情况下）。因此，通过确保通过栅极终端的关闭机构来解决栅极关闭晶闸管（GTO）解决晶闸管的主要问题。

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门关闭晶闸管的基础知识

闸极关闭型晶闸管(GTO)是一种三端双极(电流控制少数载波)半导体开关器件。与传统晶闸管类似，其端子为正极、负极和栅极，如下图所示。顾名思义，它具有栅极关闭功能。

它们不仅能够通过栅极驱动电路打开主电流，还能够关闭主电流。一个小的正栅极电流触发GTO进入传导模式，也通过栅极上的一个负脉冲，它能够被关闭。请看下图，栅极上有两个箭头，用来区分GTO和普通晶闸管。这表示通过栅极端子的双向电流。

关闭GTO所需的栅极电流相对较高。例如，使用4000V和3000A的GTO额定电流可能需要-750A栅极电流切换其关闭。因此，GTO的典型关闭增益低，并且在4到5的范围内。由于这种大的负电流，GTO用于低功耗应用。

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。

在今天的市场上有几种gto，它们具有不对称和对称电压功能。具有相同正向和反向阻塞能力的GTOs称为对称GTOs (S-GTOs)。这些是用于电流源逆变器，但这些有点慢。由于非对称GTOs具有较低的状态压降和稳定的温度特性，因此被广泛采用。

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。

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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型浇口的掺杂水平高度分级，因为掺杂水平应低于保持高发射极效率，而对于具有良好的关闭性能，该区域的掺杂应高。另外，栅极和阴极应高度地互补，以各种几何形式来优化电流关闭能力。

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的反向阻挡容量减小到结J3的反向击穿电压，因此加速关闭机构。

然而，随着大量的阳极短路，阳极结的效率降低，因此GTO的开启性能下降。因此，为了获得良好的开关性能，必须仔细考虑这些阳极短路的密度。

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工作原理

GTO的接通操作类似于传统的晶闸管。当施加正栅极电流使阳极端相对于阴极为正时，栅极正向注入的空穴电流偏置阴极p-base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，导通首先打开与栅极端子相邻的阴极区域。因此，通过等离子体扩散，剩余的区域进入传导。

与晶闸管不同的是，GTO由狭窄的阴极元件组成，这些极元件与栅极端子严重交叉，因此初始开启面积很大，等离子体扩散很小。因此，GTO很快进入传导状态。

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。

响应这个，更多的空穴电流被提取通过栅结果更多的抑制电子从阴极。最终，p基极结上的压降导致栅极阴极结反向偏压，因此GTO被关闭。

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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vi特点

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。

与图中所示的晶闸管相比，GTO中的锁存电流和正向漏电流要大得多。如果阳极电流高于保持电流水平，栅极驱动可以被移除。

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。

这使得欠载电流水平以下的阳极电流倾斜，这迫使高阳极电流以高速速率回到GTO。这可能是可能的破坏性的。因此，一些制造商推荐在导通状态期间的连续栅极信号。

GTO可以通过施加反向栅极电流来关闭，该栅极电流可以是步进驱动，也可以是斜坡驱动。GTO可以在不反转阳极电压的情况下关闭。图中的虚线显示了在感应负载关断过程中的i-v轨迹。需要注意的是，在关断过程中，GTO只能阻挡额定正向电压。

为了避免在关断过程中dv/dt触发和保护设备，在栅极和阴极之间必须连接一个推荐的电阻值，或者在栅极端子上必须保持一个小的反向偏置电压(通常为-2V)。这防止了栅极阴极结成为正向偏压，因此GTO在关断状态期间维持。

在GTO的反向偏置条件下，阻塞能力取决于GTO的类型。对称GTO具有高反向阻塞能力，而非对称GTO具有小的反向阻挡能力，如图所示。

我们观察到，在反向偏置条件下，由于阳极短结构，在一个较小的反向电压(20 ~ 30 V)后，GTO开始反向导电。这种操作方式不会破坏器件，前提是栅极负偏置，并且这种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

• 交流驾驶
• 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
• 和其他低功耗应用

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