GTO驱动电路

门极可关断晶闸管GTO驱动电路

1.电力电子器件驱动电路简介

电力电子器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接口，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；又要提供关断控制信号。

门极可关断晶闸管简称GTO, 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，它的容量仅次于普通晶闸管，它应用的关键技术之一是其门极驱动电路的设计。门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，而门极关断技术应特别予以重视。门极可关断晶闸管GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

2.GTO驱动电路的设计要求

由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不高。GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。用理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提高开关速度，减少开关损耗。

GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很大幅度的负脉冲电流使其关断。因此全控器件GTO的驱动器比半控型SCR复杂。门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, 而且直接影响到元件的开关

时间、开关损耗, 工作频率、最大重复可控阳极电流等一系列重要指标。门极电路包括门极开通电路和门极关断电路

。

GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流比普通晶闸管大得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要大大加宽。此外, 普通晶闸管的通态压降比较小, 当其一旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降, 门极通常仍需保持一定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗比普通品闸管的触发电路要大的多。对门极关断电路的要求：GTO对作为关断脉冲的负向门极电流有很高的要求。负向门极电流的幅值，斜率直接影响到元件的元断能力、关断时间及关断损耗。要求门极关断回路有足够大的动力源, 回路阻抗和感抗非常小，用作门极关断回路的开关元件要有很小的内阻, 较宽的频带和较好的承受冲击电流的能力。

3．GTO的普通驱动电路

下图1为普通的GTO驱动电路原理图。当输入信号为正脉冲时，光耦合器B导通，三极管V1截止，V2和V3导通，电源E1经R7、V3及C3(R8)触发GTO 导通。当输入信号为零脉冲时，光耦合器B截止，V1导通，V2和V3截止。关断电路中的V4导通，V5截止，晶闸管VT经R13和R14获得触发信号并导通，电源E2经VT、GTO、R8、R15形成门极负电流使GTO关断。电路中C1到C5为加速电容。

图1 门极可关断晶闸管驱动电路

应用这种电路驱动GTO时，容易造成大容量晶闸管内部数个并联的小晶闸管开通过程中先是局部几个单元开通，然后等离子体在整个芯片内向边沿扩展。最初较高的电流上升率可能使最先导通的区域过载而导致器件损坏，因此必须采用较大的抑制电感来抑制电流上升率。同时，为了获得合理的关断增益，对于GTO 晶闸管响应时间来说只能施加较小的门极电流，从而导致存储时间过长(20us)，造成关断不同步，du/ dt耐量低, 并需要体积庞大的吸收电容。因此，这种电路的最高开关频率一般限制在300—500Hz。下面介绍新型的“硬驱动门极驱动技术”。

4.“硬驱动”门极驱动技术

所谓GTO晶闸管的“硬驱动”是指在GTO在关断过程中的短时间内，给其内阴极加以上升率di/dt及幅值都很大的驱动信号。图2是硬驱动门极单元的典型电路。它可分成两部分，上部分电路控制开通过程，下部分电路控制关断过程, 且两部分独立工作。电路设计时应使其电感最小值化，LG为杂散电感。其工作过程分析如下：在开通期间，电容通过开关10S放电，在约250ns内产生1000A 的硬驱动门极电流。门极电流通过二极管维持在高水平，然后通过11S由

5V电源维持。在较大门极电流脉冲作用下，GTO晶闸管等效原理电路中N-P-N晶体管开通，N发射区注入电子，并输送到N基区，产生相应空穴注入。空穴电荷区开始崩缩，阴极电压在100 ns内下降到VA< 200V。此时，主电流仍很小，这就意味着晶体管作用强于晶闸管作用。在关断期间，电容C2通过开关20S 吸收数千安培的大电流脉冲，电流脉冲的上升时间约为1.5us。另外，开关21S用来维持器件的阻断状态。

图2 新型“硬驱动”门极单元简图

5.小结

GTO 晶闸管既具有普通晶闸管的优点，同时又具有GTR 的优点，是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件，设计与选择性能优良的门极驱动电路对保证GTO 的正常工作和性能优化是至关重要的，特别是门极关断技术应特别重视，它是正确使用GTO 的关键。

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