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閘極截止閘流體

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閘極截止閘流體英文Gate Turn-Off thyristor,縮寫GTO)是一種派生自普通單向閘流體的大功率全控型半導體裝置,它既保留了普通單向閘流體耐壓高、電流大的特性,又具備了自關斷能力。

構造

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閘極截止閘流體的結構和普通單向閘流體一樣,由PNPN四層半導體構成,外部有三個電極,即閘極G、陽極A和陰極K。

普通單向閘流體只構成一個單元裝置,而閘極截止閘流體則是一種多元的功率集成裝置,它的內部由數十個甚至數百個共陽極的小型GTO單元並聯在一起。[1]

工作原理

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普通單向閘流體在閘極信號觸發之後,撤去信號也能維持導通,欲使其關斷,必須切斷電源或施以反向電壓強行關斷,這就需要增加換向電路,不僅使控制電路的體積、質量增加,而且會降低效率,產生波形失真和噪聲;而閘極截止閘流體克服了這些缺陷,既可通過閘極信號導通,又可通過閘極信號關斷,其藉助外部的緩衝電路來導通和關斷電流。[1]

導通

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導通由閘極和陰極端子之間的「正電流」脈衝完成,由於閘極-陰極的組合結構類似於PN結,因此兩極之間存在相對較小的電壓。導通期間的GTO具有限制電流上升的最大dI/dt額定值,保證其在達到全電流之前達到開啟狀態,如果超過該額定值,距離柵極觸點最近的GTO區域將過熱,並因過電流而熔化。dI/dt的速率通常通過飽和電抗器(導通緩衝器)控制。

GTO的導通dI/dt比普通閘流體的約束要小,然而GTO中的導通現象不可靠,即使導通後也必須保持較小的閘極正電流以提高導通的可靠性。[2]

關斷

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關斷由閘極和陰極端子之間的「負電壓」脈衝完成,一些正向電流(占比約1/3至1/5)用於感應出陰極-閘極電壓,這反過來會使正向電流下降,引致GTO關斷。關斷期間必須限制GTO的正向電壓(通常約為正向阻斷電壓額定值的20%)直到電流消失,如果關斷時電壓上升過快,高電壓和大電流將集中在GTO的一小部分上,導致其炸裂,因此需要在其周圍增加大量緩衝電路進行限制。[2]

GTO的關斷時間較長,在正向電流下降後,存在一個長尾時間,期間剩餘電流繼續流動,直到管內所有的剩餘電荷均被導出為止;但即便如此,GTO的關斷速度仍可比普通閘流體快約十倍。[3]

性能參數

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  • 最大可關斷陽極電流 IATO即GTO的銘牌電流,它與閘極關斷負電流波形、陽極電壓上升率、工作頻率及電路參數變化等因素相關。
  • 關斷增益 βoff定義為最大可關斷電流與閘極負電流最大值之比,表示GTO的關斷能力。當閘極負電流上升率一定時,關斷增益與可關斷陽極電流成正相關;當可關斷陽極電流一定時,其則與閘極負電流上升率成負相關。採用適當的閘極電路,很容易獲得上升較快、幅值足夠的閘極負電流,因此在實際應用中不必追求過高的關斷增益。
  • 陽極尖峰電壓UP指在GTO的關斷過程中,正向電流下降時在下降曲線尾部出現的極值電壓,它等於GTO緩衝電路中的雜散電感與陽極電流在下降時間內變化率的乘積。當GTO的陽極電流增加時,尖峰電壓幾乎線性增加,增加到一定值之後就會導致GTO損壞。為了減小尖峰電壓,必須儘量縮短緩衝電路的引線,減小雜散電感,並採用快恢復二極體及無感電容。[1]

用途

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使用 GTO 的 RG621-A-M 型牽引逆變器,安裝在東急1000系日語東急1000系電車列車上

閘極截止閘流體具有工作頻率高(1 kHz 左右)、使用方便的優點,廣泛應用於逆變器、電網動態無功補償和大功率直流斬波調速等領域;其曾作為斬波器VVVF牽引逆變器中的主要開關元件,用於控制供鐵路地鐵列車使用的牽引電動機(該應用目前正逐漸被絕緣閘雙極電晶體取代)。[4]

參照

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參考資料

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 龔素文,李圖平等. 电力电子技术 第2版. 北京理工大學出版社. 2014. 
  2. ^ 2.0 2.1 季凌雲, 張昌利. 门极可关断晶闸管再导通机理分析及验证. 電力電子技術. 1996, (3): 97-100. 
  3. ^ CIRCUITS TODAY. Gate Turn Off Switch. [2021-11-01]. (原始內容存檔於2021-11-04). 
  4. ^ 呂征宇. 大容量门极可关断晶闸管的研究. 電子與信息學報. 1988, 10 (6): 558-562.