门极可关断晶闸管与普通晶闸管的区别

一、引言

在电力电子领域，晶闸管作为重要的半导体器件，被广泛用于各种电路控制中。其中，门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor，简称GTO）和普通晶闸管是两种常见的类型。虽然它们都属于晶闸管家族，但在结构、工作原理、性能特点以及应用方面存在显著的差异。本文将对这两种晶闸管进行详细比较，以便读者更好地理解它们之间的区别。

二、定义与结构

门极可关断晶闸管（GTO）

门极可关断晶闸管是一种特殊的电力半导体器件，属于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，因此属于全控型器件。GTO的结构与普通晶闸管相似，也是由PNPN四层半导体构成，外部引出阳极A、阴极K和门极G三个电极。但GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元。这些小GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，以实现门极控制关断的功能。

普通晶闸管

普通晶闸管是一种半可控大功率半导体器件，出现于20世纪70年代。它同样具有PNPN四层半导体结构，外部也有三个电极：阳极A、阴极K和门极G。普通晶闸管在工作过程中，阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成主电路；门极G和阴极K与控制装置连接，组成控制电路。

三、工作原理

门极可关断晶闸管（GTO）

GTO的工作原理基于其特殊的结构和设计。当阳极加正向电压且门极加正向触发电流时，GTO导通。此时，如果门极加上足够大的反向触发脉冲电流，GTO则由导通转为阻断。这种通过门极控制器件导通和关断的能力使得GTO在电力电子领域具有广泛的应用前景。

普通晶闸管

普通晶闸管的工作原理相对简单。当阳极承受正向电压且门极承受正向电压时，晶闸管导通。一旦晶闸管导通，即使撤去门极电压，晶闸管仍会保持导通状态。这是因为晶闸管在导通后会进入深度饱和状态，此时门极失去对晶闸管的控制作用。要使普通晶闸管关断，需要切断电源或使正向电流低于维持电流IH，或施加反向电压强制关断。

四、性能特点

开关特性

GTO：具有门极导通和门极关断的能力，可以实现正向和反向的电压控制。这使得GTO在高功率电子装置中的应用得到广泛推广。

普通晶闸管：只能由正向的电压来触发导通，不能实现反向的关断。需要外部电路辅助实现关断功能。

电导丢失

GTO：电导丢失可以被完全消除，降低了系统的能耗。

普通晶闸管：在封锁状态下仍会有少量的电流流过（电导丢失），这会增加系统的能耗。

自关断能力

GTO：具备自关断能力，不需要复杂的换向电路即可实现快速关断。

普通晶闸管：不具备自关断能力，需要外部电路辅助实现关断功能。

工作频率

GTO：工作频率较高，适用于需要快速切换的场合。

普通晶闸管：工作频率相对较低。

五、应用领域

GTO：广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿、大功率直流斩波调速等领域。

普通晶闸管：在高压、大电流条件下工作，如电力传输、电机控制等领域。

六、总结

门极可关断晶闸管（GTO）和普通晶闸管在定义、结构、工作原理、性能特点以及应用领域等方面存在显著的差异。GTO作为一种特殊的晶闸管器件，具有自关断能力、高工作频率和低电导丢失等优点，在高压、大容量场合中表现出色。而普通晶闸管虽然不具备自关断能力且工作频率相对较低，但在某些特定场合下仍具有广泛的应用价值。因此，在选择晶闸管时需要根据具体的应用需求和条件进行综合考虑。