GTO的门控电路由开通电路、关断电路和偏置电路三者组成,由于GTO与SCR的相似性,除导通时因饱和不深需要正偏置外,GTO与SCR的触发电路没有原则区别。GTO门控电路的特点与难点在于关断电路,为此必须说明GTO的关断原理及其相关波形,从而提出设计关断电路的技术要求。<?XML:NAMESPACE PREFIX = O />
对大功率电力电子器件正向特性的要求是通态电流大、通态电压低,因此在通态下就必须使元件具有足够多的载流子存储量,这就给元件的关断带来了特殊困难。因此对GTO门控电路的基本要求就是要有足够大的关断电流,以便从门极排出足够大的门极关断电荷,同时其关断功率又不能超过门极的允许值。
图1是GTO导通与关断过程波形,图中iA和vA为GTO的阳极电流和电压;iG为正向门极触发电流;iCQ为反向门极关断电流;vCQ为门极关断电压。关断过程从toff的起点开始。
图1
由于较大的可关断峰值电流需要有较大的门控电流,所以只要门极功耗允许,较大的门极关断电流有利于缩小toff ,这样既可减少关断时的管耗,又可提高GTO的开关频率。
关断GTO不仅要从门极抽出足够大的关断电荷,而且要有足够的关断电流上升率,以加快关断过程,减少元件损耗。
用SCR关断GTO的门控电路
GTO的门控电路种类很多,有几种不同的分类方法,例如用门控电路电源的数量及形式来区分,也可以用门控电路输入或输出信号的耦合方式来区分等。按门控电路最后一个环节――输出级所采用的功率元件的性质来区分,这样更能反映门控电路的结构特点。
图2是用SCR关断GTO的一种门控电路原理图。输入信号为正脉冲(on)时,光电管T1导通,T2截止,T3和T4导通,从E1电源经R7、T4及C3使GTO触发。C1~C3为加速电容。当GTO的关断信号为零脉冲(off)时,T3、T4截止,而关断电路中的T5导通、T6截止,因此SCR经R13和R14获得触发信号并导通,关断电路的电源E2经SCR、R7、R8、R15形成门极负电流,使GTO关断。
图2
利用SCR关断GTO,可以取得较大的负电流,有利于大功率GTO的关断,但频率受限制,电路也较复杂,目前已为功率MOSFET及IGBT所取代。
用MOSFET关断GTO的门控电路
图3是用功率MOSFET关断GTO的一种门控电路的原理图,此门控电路的功率小、工作频率高、电路结构也简单。触发环节由电容C1、功率MOSFET管T1、复合管T3等构成。20kHz的脉冲电源经过整流后,使触发电容C1储能。在触发信号on加到T1基极上时,T1导通,GTO被触发导通。同时已充电的C2经R3、T1为GTO提供稳定导通的正偏置。门极关断电路由功率MOSFET管T2及C3、R5等构成。当T2基极有关断信号off正脉冲信号时,T2导通,C3为GTO提供负的脉冲电流,使GTO关断。C3的充电电压为15V,C3的电容量较大,有2000uF,可以关断300A/1200V的GTO。此外GTO已有模块化的模块电路产品,应用方便可靠,但价格较高。
图3