大功率GTO的特点及应用

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GTO是英文(GATE TURN—OFF THYRISTOR)门极可关断晶闸管的缩写。GTO同普通晶闸管一样具有PNPN结构。不同的是GTO门极加正的电流触发信号时开通,在同样的门极加负电流触发信号时关断,具有自关断能力。因而GTO是比较理想的一种开关器件。图1a为大功率GTO的外形,它的法兰直径有42mm、47mm、100mm、110mm几种。图1b是GTO在电路中的符号,图2为GTO的一般开关波形。

图1
图1 🔍原图 (838×872)
图2
图2 🔍原图 (1235×875)

GTO的用途及特点

GTO广泛应用于斩波器、逆变器、电子开关、电力传动系统、恒压调频装置、调压调频装置等。采用GTO的电路装置,使用的元件较少,可靠性高,体积小,重量轻,而且没有换流脉冲产生的噪音,没有换流损耗,这样可提高装置的效率,脉冲调制也比较容易实现,为改善输出波形提供了方便。

GTO的主要参数

GTO的许多参数与普通晶闸管相似,如正反向阳极阻断电压,浪涌电流,结温,热阻,dv/dt耐量,di/dt耐量,以及门极触发电流、电压等。但也有一些参数与普通晶闸管不相同,如可控制的通态峰值电流,关断增益,阳极尖峰电压等,现将这些参数说明如下。

1.可控制的通态峰值电流I\(_{TCM}\)

I\(_{TCM}\)是GTO的一个特征参数,它表示GTO阳极可关断电流的最大值,GTO的电流容量用这个值来表示,如2000A/4500V GTO表示其最大可关断阳极电流为2000A,耐压为4500V。

2. 关断增益βoff。

βoff为最大可关断阳极电流I\(_{TCM}\)与门极负电流最大值IGQM之比。用户可从开关波形曲线上找出I\(_{GQM}\)值,然后按公式计算:

βoff=I\(_{TCM}\)/(1—IGQM)

3.阳极尖峰电压V\(_{DP}\)

在GTO的关断过程中,在下降时间的尾部出现一个阳极尖峰电压V\(_{DP}\),如图2所示,这是GTO的一个极为重要的参数,对大容量的GTO的来说尤其重要,它限制了可关断阳极电流的增加。

4.一些特性曲线

在通常情况下,为了用户使用方便,生产厂家一定给出下列几组曲线。

①通态特性曲线

②延迟时间、上升时间和开通损耗与门极正向电流的关系

③不重复的浪涌通态电流与时间的关系。

④吸收电容与可控制的通态电流I\(_{TCM}\)的关系。

⑤存储时间、下降时间和关断损耗与门极反向电流上升率的关系。

⑥瞬态热阻曲线。

⑦门极反向峰值电流和门极关断电荷与反向门极电流上升率的关系。

⑧延迟时间、上升时间和开通损耗与通态电流的关系。

表1为北京椿树整流器厂生产的4种GTO产品的特性参数,供读者参考。

图3
图3 🔍原图 (1306×593)

基本应用

GTO的应用非常广泛,这里只介绍几种最基本的电路。

1.直流开关和斩波器

图3表示用GTO作直流开关的最简单的电路,其中GB为直流电源,C\(_{S}\)和DS分别为吸收电容和吸收二极管,而RS为放电电阻。如果在图3的负载两端并联一个续流二极管,这种电路就成为斩波电路,如图4所示。图5为另外一种斩波电路。

图4
图4 🔍原图 (700×294)
图5
图5 🔍原图 (840×295)
图6
图6 🔍原图 (678×443)

2.逆变电路

图6为使用GTO的单相逆变电路,以GU、GY、GX、GV的顺序各按180度开通期间来控制,通过这种控制能得到一个单相方形波。

图7
图7 🔍原图 (872×641)

需要指出的是GTO的门极驱动电路多种多样,但使用者一定要根据实际情况慎重选用,有的厂家为GTO提供了配套使用的驱动电路。

选用及注意事项

1.容量的选择

GTO容量一般用电流(A)/电压(V)来表示,不同于普通晶闸管的是这里的电流是指阳极可关断电流的最大值。例如北京椿树整流器厂生产的标称容量为600A/1300V的GTO,表示最大可关断阳极峰值电流为600A,耐压为1300V。

2.工作频率

GTO的工作频率与通态电流、门极正向电流、门极反向电流有关系,选用器件时除根据开关时间对最高频率的限制外,还要考虑开关损耗,使GTO总损耗在允许范围内。一般说GTO的最佳工作频率在0.5~5kHz左右。

3.使用GTO时应有很好的散热条件,以保证GTO工作时结温不超过额定值。

4.配套元件的选用

GTO工作时需保护和吸收电路,吸收电容要用无感电容,所有的电路布线时应尽量短,以减小电感。 (高占成)