可关断可控硅GTO(Gate Turn-Off Thyristor)亦称门控可控硅。其主要特点为,当门极加负向触发信号时可控硅能自行关断。
普通可控硅(SCR)靠门极正信号触发之后,撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断,必须切断电源,使正向电流低于维持电流IH,或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路,不仅使设备的体积重量增大,而且会降低效率,产生波形失真和噪声。可关断可控硅克服了上述缺陷,它既保留了普通可控硅耐压高、电流大等优点,以具有自关断能力,使用方便,是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管(GTR),只是工作频纺比GTR低。目前,GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断可控硅已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域,显示出强大的生命力。
可关断可控硅也属于PNPN四层三端器件,其结构及等效电路和普通可控硅相同,大功率GTO大都制成模块形式。
尽管GTO与SCR的触发导通原理相同,但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通可控硅在导通之后即外于深度饱和状态,而GTO在导通后只能达到临界饱和,所以GTO门极上加负向触发信号即可关断。GTO的一个重要参数就是关断增益,βoff,它等于阳极最大可关断电流IATM与门极最大负向电流IGM之比,有公式:βoff =IATM/IGM
βoff一般为几倍至几十倍。βoff值愈大,说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。很显然,βoff与昌盛的hFE参数颇有相似之处。
可关断晶闸管门极驱动电路
可关断晶闸管门极驱动电路,包括门极开通电路和门极关断电路。使可关断晶闸管根据信号的要求导通或关断的门极控制电路。用于控制电力电子电路中的可关断晶闸管的通断。根据对驱动可关断晶闸管的特性或容量、应用的场合、电路电压、工作频率、要求的可靠性和价格等方面的不同要求进行分类,可有各式各样的门极驱动电路。
使可关断晶闸管根据信号的要求导通或关断的门极控制电路。用于控制电力电子电路中的可关断晶闸管的通断。对可关断晶闸管广告门极驱动电路的一般要求是:当信号要求可关断晶闸管导通时,驱动电路提供上升率足够大的正门极脉冲电流,其幅度视晶闸管容量不同在0.1到几安培的范围内变化,其宽度应保证可关断晶闸管可靠导通;当信号要求可关断晶闸管关断时,驱动电路提供上升率足够大的负门极脉冲电流,脉冲幅度要求大于可关断晶闸管阳极电流的五分之一,脉冲宽度应大于可关断晶闸管的关断时间和尾部时间。
结构与工作原理
可关断晶闸管门极驱动电路,包括门极开通电路和门极关断电路。某些场合还包括虚线所示的门极反偏电路,以增加抗干扰能力。门极开通电路为可关断晶闸管提供开通时的正门极脉冲电流。一种门极开通电路,当导通信号电压是高电平时,晶体管G1导通,其发射极电流即作为触发电流流入可关断晶闸管门极。门极关断电路为可关断晶闸管提供关断时的负门极脉冲电流。一种门极关断电路,当关断信号来时,晶闸管G2导通。负电压E2通过G2加到可关断晶闸管的门极,抽取门极电流。当可关断晶闸管T关断后,门极恢复阻断,门极电流降为零,G2也恢复阻断。图2c是完整的双电源门极驱动电路。
分类
根据对驱动可关断晶闸管的特性或容量、应用的场合、电路电压、工作频率、要求的可靠性和价格等方面的不同要求,有各式各样的门极驱动电路。
特性
普通单向晶闸管靠控制极信号触发之后,撤掉信号也能维持导通。欲使其关断,必须切断电源或施以反向电压强行关断。这就需要增加换向电路,不仅使设备的体积、质量增大,而且会降低效率,产生波形失真和噪声,可关断晶闸管克服了上述缺陷。
当可关断晶闸管阳极和阴极间加正向电压且低于正向转折电压时,若门极无正向电压,则管子不会导通;若门极加正向电压,则管子被触发导通,导通后的管压降比较大,一般为2~3V。
由于可关断晶闸管关断时,可在阳极电流下降的同时升高施加的电压(不像普通单向晶闸管关断时在阳极电流等于零后才能施加电压),因此,可关断晶闸管关断期间功耗较大。另外,因为可关断晶闸管导通压降较大(2~3V),门极触发电流较大(20mA左右),所以可关断晶闸管的导通功耗与门极功耗均较普通单向晶闸管大。
估测关断增益βoff的方法
下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。
1. 判定GTO的电极
将万用表拨至R×1档,测量任意两脚间的电阻,仅当黑表笔接G极,红表笔接K极时,电阻呈低阻值,对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定G、K极,剩下的就是A极。
2. 检查触发能力
首先将表Ⅰ的黑表笔接A极,红表笔接K极,电阻为无穷大;然后用黑表笔尖也同时接触G极,加上正向触发信号,表针向右偏转到低阻值即表明GTO已经导通;最后脱开G极,只要GTO维持通态,就说明被测管具有触发能力。
3. 检查关断能力
现采用双表法检查GTO的关断能力,表Ⅰ的档位及接法保持不变。将表Ⅱ拨于R×10档,红表笔接G极,黑表笔接K极,施以负向触发信号,如果表Ⅰ的指针向左摆到无穷大位置,证明GTO具有关断能力。
4. 估测关断增益βoff
进行到第3步时,先不接入表Ⅱ,记下在GTO导通时表Ⅰ的正向偏转格数n1;再接上表Ⅱ强迫GTO关断,记下表Ⅱ的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益:
βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/ K2n2
式中K1—表Ⅰ在R×1档的电流比例系数;
K2—表Ⅱ在R×10档的电流比例系数。
βoff≈10×n1/ n2
此式的优点是,不需要具体计算IAT、IG之值,只要读出二者所对应的表针正向偏转格数,即可迅速估测关断增益值。
检测
1.可关断晶闸管电极判别
判别电极时,将万用表置R×1Ω挡,检测任意两脚间电阻值。黑表笔接G极、红表笔接K极时为低电阻值,其他情况下电阻值均为无穷大,由此可判定G极、K极,余下为A极。
2.可关断晶闸管触发导通能力判别
(1)触发导通能力的检测方法。判断可关断晶闸管触发导通能力时,将万用表置R×1Ω挡,黑表笔接A极,红表笔接K极,测得电阻值为无穷大。同时用黑表笔接触G极(加上正向触发信号),表针向右偏转到低电阻值,说明晶闸管已导通。黑表笔笔尖离开G极,晶闸管仍维持导通,说明被测管具有触发导通能力。
(2)检测注意事项。检测大功率可关断晶闸管时,可在R×1Ω挡外面串联一节1.5V电池(与表内电池极性顺向串联),以提高测试电压,使可关断晶闸管触发导通。
3.可关断晶闸管关断能力判别
尽管可关断晶闸管与普通单向晶闸管的触发导通原理相同,但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通单向晶闸管在导通之后即处于深度饱和状态,而可关断晶闸管在导通后只能达到临界饱和状态。所以,在可关断晶闸管的门极上加负向触发信号后,通态电流开始下降,使管子不能维持内部电流的正反馈。此过程经过一定时间后,可关断晶闸管即可关断。
将万用表1置R×1Ω挡,红表笔接K极,黑表笔接A极。使晶闸管导通并维持,此时表1指针向右偏转为低电阻值。然后将万用表2置R×10Ω挡,黑表笔接K极,红表笔接G极(加负向触发信号),若此时表1指针向左摆到无穷大,说明管子具有关断能力。
注意事项
在检查大功率GTO器件时,建议在R×1档外边串联一节1.5V电池E′,以提高测试电压和测试电流,使GTO可靠地导通。
要准确测量GTO的关断增益βoff,必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同,测量结果仅供参考,或作为相对比较的依据。
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