可关断可控硅基础知识图解

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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