閘極截止閘流體
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。
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電路符號 -
結構示意 -
等效電路圖
構造
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]- 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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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；其曾作為斬波器和VVVF牽引逆變器中的主要開關元件，用於控制供鐵路和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]