什么是栅极关断晶闸管及其工作原理

“晶闸管”是一种半导体器件，广泛用作电源电路中的开关。 晶闸管采用 P 型和 N 型材料交替层，设计为四层结构。 它可用作两引线和三引线设计。 晶闸管的三引线设计由阳极、阴极和栅极引线组成。 晶闸管通常在栅极引线被电流触发时开始导通，一旦导通，晶闸管将持续导通，直到器件电压反向或移除。 长期以来，这是关闭晶闸管的唯一方法，这使得很难应用于直流应用。 后来引入了一种更新的设计，该设计通过实施一种简单的方法来打开和关闭晶闸管，从而消除了晶闸管的这一缺点。 这种新设计被命名为“栅极关断晶闸管”。什么是栅极关断晶闸管？栅极关断晶闸管也俗称“GTO”。 这是晶闸管的三引线设计之一。 顾名思义，GTO 是晶闸管的改进设计，它可以通过将电流触发器应用于门电路来导通和关断。 栅极关断晶闸管的这一特性允许在使用 DC 的设备中应用，而早期晶闸管并非如此。 闸极关断晶闸管的基础知识 下面列出了闸极关断晶闸管的一些基础知识： 闸极关断晶闸管是一种大功率半导体晶闸管。这些是完全可控的开关，可以执行导通和关断功能。防止器件在运行过程中损坏, GTO 需要额外的外部电路来控制导通和关断电流。该器件是在“通用电气”发明的。GTO 是一种有源半导体器件。GTO 符号由于 GTO 是三引线晶闸管，它包含阳极引线、阴极-铅和栅极铅。 门极关断晶闸管的符号与可控硅晶闸管非常相似，只是门极端子不同。 栅极关断晶闸管能够打开和关闭设备。 由于此功能在栅极端子处表现出来，因此栅极端子用双向箭头连接表示，象征着晶闸管的这一特性。 下图显示了闸极关断晶闸管的符号。Gate Turnoff Thyristor Structure of Gate Turnoff 晶闸管的符号Gate Turnoff 晶闸管具有四层PNP -P 结构。 这些区域表示为 P+、N-、P、N+。 器件的阳极与重掺杂的 P+ 层相连。 器件的阴极连接到重掺杂的 N+ 层。 栅极还连接到另一个重掺杂的 P+ 区域。 GTO的结构如下图所示。栅极关断晶闸管结构操作要了解栅极关断晶闸管的操作，必须查看其导通和关断机制。 导通机制类似于 SCR，可以通过对阴极施加正脉冲来导通 GTO，到其登机口。 但是GTO的这种Turn On过程不如SCR可靠。 关断机制要关断栅极关断晶闸管，在栅极端子上施加相对于阴极的负栅极脉冲。 负脉冲的应用从阳极和栅极区域排出电荷载流子。通常，GTO 具有阻断反向电压的能力。 但它的阻塞能力较低。 因此，GTO 并联以增加其关断电阻。 可以阻断反向电压的 GTO 称为对称 GTO 晶闸管，S-GTO。 不能阻断反向电压的 GTO 被称为非对称 GTO 晶闸管，A-GTO。 S-GTO 用作电流源逆变器。 A-GTO 用作电压源逆变器、直流牵引斩波器。VI 特性 GTO 的 VI 特性包括以下内容。反向偏置特性在反向偏置条件下，阴极相对于阳极为正。 此时，N+层、P-层结以及N-层、P+层结将被反向偏置。 因此，这两个反向偏置结将不允许电流从阴极流向阳极。 因此，当处于反向偏置条件时，非常小的电流会流入器件。 当该区域发生击穿时，会产生更大的电流。正向偏置特性在正向偏置条件下，阳极相对于阴极为正。 现在，N+、P 结和 N-、P+ 结都处于正向偏置状态。 此处，中心结 P,-N 被反向偏置。 因此，在结击穿之前只有少量电流流动。 此时，如果施加正脉冲，则会发生击穿并且设备会开启。 击穿后，电路中流过大量电流。 一旦设备开启，就必须施加一个负门脉冲来关闭 GTO。 这里，施加的负栅极脉冲应该是阳极电压的三分之一到五分之一，即 1/3 * 阳极电压。 购买器件时还必须遵守此栅极额定值。GTO 特性对于 VI 额定值为 1600v 的 GateTurnoff 晶闸管，350A 导通电压为 3.4 伏。 GTO 的开启时间为 2 微秒，这比 SCR 需要 8 微秒才能开启要快得多。 GTO 比 SCR 快十倍。 GTO 的关闭时间为 15 微秒。 GTO 可以在高达 1kHz 的频率下运行。 用于开启 GTO 的栅极电流为 2 安培，而关闭所需的栅极电压为 200 安培，这太高了。 因此，需要在 GTO 的栅极端子处进行复杂的电路设计。 市场上引入了更新版本的 GTO，称为集成栅极换向晶闸管，IGCT，它在栅极端子处有一个内置放大器，因此该器件可以在较低的关断电流下运行。应用 GTO 的应用包括以下内容.GTO 用于交流驱动器、直流斩波器、直流断路器和感应加热系统。 这些也应用于大功率逆变器和变速电机驱动器。 如今，门极关断晶闸管正被集成门极换向晶闸管所取代。为协助关断过程，门极关断晶闸管是通过并联大量晶闸管构成的。 即使在开启器件之后，为了更好的可靠性，至少也必须保留少量的栅极电流。 栅极关断晶闸管还提供缓冲电路，以保护器件在导通过程中免受过热和损坏。 要关闭栅极可关断晶闸管，需要施加何种电流？

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