可关断晶闸管

一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件

可关断晶闸管是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。GTO既具有普通晶闸管的优点（耐压高、电流大、耐浪涌能力强、价格便宜），同时又具有GTR的优点（自关断能力、无须辅助关断电路、使用方便），是应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。

简述

可关断晶闸管(GTO)又称门极可关断晶闸管或门控晶闸管，是晶闸管的一种派生器件。它的主要特点是门极加正脉冲信号触发管子导通，门极加负脉冲信号触发管子关断，因而属于全控型器件。

可关断晶闸管既保留了普通单向晶闸管耐压高、电流大的特性，又具备了自关断能力，且关断时间短，不需要复杂的换向电路，工作频率高，使用方便，但对关断脉冲信号的脉冲功率和门极负向电流的上升率要求较高。可关断晶闸管是理想的高压、大电流开关器件，广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。

结构

可关断晶闸管的结构和普通单向晶闸管一样，也是由PNPN四层半导体构成，外部也有三个电极，即门极G、阳极A和阴极K。普通单向晶闸管只构成一个单元器件，而可关断晶闸管则构成一种多元的功率集成器件，它的内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元。为了实现门极控制关断，而将这些小GTO单元的阴极和门极特别设计成在器件内部并联。

可关断晶闸管在电路中常用字母GTO表示，小功率可关断晶闸管的外形及电路符号见图1，大功率可关断晶闸管多采用圆盘状或模块型式。国产可关断晶闸管常用型号有先锋( XUNFO)、光宝( LITEON)、柳晶(LIUJING) GT050A～1000A等系列。进口可关断晶闸管常用型号有日本富士通公司(FUJITSU)EF3003AM系列，日本东芝公司(TOSHIBA) SG600EX、SG800EX、SG1000EX系列，瑞士阿西布朗勃法瑞公司(ABB)SSGA、5SGF、5SGR系列，日本三菱公司(MITSUBISHI)FG1000BV、FG3000DV、FG2000FX、FG3000GX系列，日本日立公司(HIT) GFP2000G40、GFP4000G40系列等。

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。

主要参数

GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主要参数叙述如下。

(1)最大可关断阳极电流IATO。GTO的阳极电流允许值受两方面因素的限制：一是额定工作结温，其决定了GTO的平均电流额定值；二是关断失败。所以GTO必须规定一个最大可关断阳极电流IATO作为其容量，IATO即管子的铭牌电流。

在实际应用中，可关断阳极电流IATO受以下因素的影响：门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数的变化等，在应用中应予特别注意。

(2)关断增益βoff。关断增益βoff为最大可关断电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，即

βoff表示GTO的关断能力。当门极负电流上升率一定时，βoff随可关断阳极电流的增加而增加；当可关断阳极电流一定时，βoff随门极负电流上升率的增加而减小。

采用适当的门极电路，很容易获得上升率较快、幅值足够的门极负电流。因此，在实际应用中不必追求过高的关断增益。

(3)阳极尖峰电压UP。阳极尖峰电压UP是在GTO关断过程中的下降时间tf尾部出现的极值电压。UP的大小是GTO缓冲电路中的杂散电感与阳极电流在tf内变化率的乘积。因此，当GTO的阳极电流增加时，尖峰电压几乎线性增加，当UP增加到一定值时，GTO因Poff过大而损坏。由于UP限制可关断峰值电流的增加，故GTO的生产厂’家一般把UP值作为参数提供给用户。

为减小UP，必须尽量缩短缓冲电路的引线，减小杂散电感，并采用快恢复二极管及无感电容。

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。

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