Kapı kapatma tristör - Gate turn-off thyristor

Kapı kapatma tristör (GTO)

GTO tristörünün basitleştirilmiş kesiti
Tip	aktif
İcat edilmiş	Genel elektrik
PIN konfigürasyonu	anot , kapı , katot
elektronik sembol

Bir kapı kapatma tristör (GTO) özel bir türü olan tiristör bir yüksek güç, yarı iletken cihaz . General Electric tarafından icat edildi . GTO'lar, normal tristörlerin aksine, üçüncü uçları olan kapı kablosu tarafından açılıp kapatılabilen tamamen kontrol edilebilir anahtarlardır.

Cihaz açıklaması

Normal tristörler ( silikon kontrollü doğrultucular ) tamamen kontrol edilebilir anahtarlar değildir ("tamamen kontrol edilebilir bir anahtar" istendiğinde açılıp kapatılabilir). Tristörler yalnızca geçit kablosu kullanılarak AÇILABİLİR, ancak geçit kablosu kullanılarak KAPATILMAZLAR. Tristörler bir kapı sinyali ile AÇILIR , ancak kapı sinyali onaylandıktan (kaldırıldıktan) sonra bile, tristör bir kapatma koşulu oluşana kadar (bu, tristöre bir ters voltaj uygulaması olabilir) AÇIK durumunda kalır. terminaller veya ileri akımın "tutma akımı" olarak bilinen belirli bir eşik değerinin altına düşmesi). Böylece, bir tristör açıldıktan veya "ateşlendikten" sonra normal bir yarı iletken diyot gibi davranır .

GTO bir kapı sinyali ile açılabilir ve ayrıca negatif kutuplu bir kapı sinyali ile kapatılabilir.

Açma, kapı ve katot terminalleri arasındaki "pozitif akım" darbesi ile gerçekleştirilir. Geçit katodu PN bağlantısı gibi davrandığından , terminaller arasında nispeten küçük bir voltaj olacaktır. Ancak GTO'daki açma olayı, bir SCR ( tristör ) kadar güvenilir değildir ve güvenilirliği artırmak için açıldıktan sonra bile küçük pozitif kapı akımı korunmalıdır.

Kapatma, kapı ve katot terminalleri arasında bir "negatif voltaj" darbesi ile gerçekleştirilir. İleri akımın bir kısmı (yaklaşık üçte bir ila beşte biri) "çalınır" ve bir katot kapısı voltajını indüklemek için kullanılır, bu da ileri akımın düşmesine ve GTO'nun kapanmasına neden olur ('engelleme'ye geçiş yapar). durum.)

GTO tristörleri uzun kapanma sürelerinden muzdariptir, bu nedenle ileri akım düştükten sonra, cihazdan kalan tüm şarj alınana kadar artık akımın akmaya devam ettiği uzun bir kuyruk süresi vardır. Bu, maksimum anahtarlama frekansını yaklaşık 1 kHz ile sınırlar. Bununla birlikte, bir GTO'nun kapanma süresinin, benzer bir SCR'ninkinden yaklaşık on kat daha hızlı olduğu belirtilebilir.

Kapatma işlemine yardımcı olmak için, GTO tristörleri genellikle paralel olarak bağlanmış çok sayıda (yüzlerce veya binlerce) küçük tristör hücresinden yapılır.

karakteristik	Açıklama	Tristör (1600 V, 350 A)	GTO (1600 V, 350 A)
V AÇMA	Durum voltaj düşüşünde	1,5 V	3.4 V
t ile , lg ile	Zamanı aç, kapı akımı	8 µs,200 mA	2 µs,2 A
t rahatsız	zamanı kapat	150 µs	15 µs

^{Aynı derecedeki bir SCR ve GTO'nun karşılaştırılması.}

Bir dağıtılmış tampon kapı kapatma tristör (DB GTO) a, tiristör alanı profilini yeniden şekillendirme ve kapatma durumu engellenmiş gerilimi artırmak için sürüklenme bölgesinde ek PN tabakalar. Geleneksel bir tristörün tipik bir PNPN yapısı ile karşılaştırıldığında, DB-GTO tristör bir PN-PN-PN yapısına sahiptir.

Ters önyargı

GTO tristörleri, ters bloklama özelliği olan veya olmayan mevcuttur. Ters engelleme özelliği, uzun, düşük katkılı bir P1 bölgesine ihtiyaç duyulması nedeniyle ileri voltaj düşüşüne katkıda bulunur.

Ters voltajı bloke edebilen GTO tristörleri, kısaltılmış S-GTO olan Simetrik GTO tristörleri olarak bilinir. Genellikle, ters engelleme voltajı derecesi ve ileri engelleme voltajı derecesi aynıdır. Simetrik GTO tristörleri için tipik uygulama, akım kaynaklı invertördür.

Ters voltajı bloke edemeyen GTO tristörleri, asimetrik GTO tristörleri olarak bilinir, kısaltılmış A-GTO'dur ve genellikle Simetrik GTO tristörlerinden daha yaygındır. Tipik olarak onlarca voltta bir ters arıza derecesine sahiptirler. A-GTO tristörleri, ya bir ters iletken diyotun paralel olarak uygulandığı (örneğin, gerilim kaynağı invertörlerinde) ya da ters voltajın asla oluşmayacağı (örneğin, anahtarlamalı güç kaynakları veya DC çekiş kıyıcılarında) kullanılır.

GTO tristörleri, aynı pakette bir ters iletken diyot ile üretilebilir. Bunlar, Ters İletken GTO tristör için RCGTO olarak bilinir.

Güvenli çalışma alanı

Yalıtılmış kapılı bipolar transistörün (IGBT) aksine, GTO tristör, cihazın tahribatını önlemek için açma ve kapama akımlarını şekillendirmek için harici cihazlar (" durdurma devreleri") gerektirir .

Açma sırasında cihaz, akımın artışını sınırlayan maksimum dI/dt değerine sahiptir. Bu, tam akıma ulaşılmadan önce cihazın tamamının açılmasına izin vermek içindir. Bu değer aşılırsa, cihazın kapı kontaklarına en yakın alanı aşırı akımdan dolayı aşırı ısınacak ve eriyecektir. dI/dt oranı, genellikle doyurulabilir bir reaktör (açma engelleyici) eklenerek kontrol edilir , ancak açma dI/dt, GTO'nun çalışma şekli nedeniyle normal tristörlere göre GTO tristörlerinde daha az ciddi bir kısıtlamadır. birçok küçük tristör hücresinden paralel olarak inşa edilmiştir. Doyurabilir reaktörün sıfırlanması, genellikle GTO tabanlı devrelerde minimum kapalı kalma süresi gereksinimini ortaya çıkarır.

Kapatma sırasında, cihazın ileri voltajı, akım kesilene kadar sınırlandırılmalıdır. Sınır genellikle ileri engelleme voltajı derecesinin yaklaşık %20'sidir. Kapatma sırasında voltaj çok hızlı yükselirse, cihazın tamamı kapanmaz ve GTO, cihazın küçük bir kısmına odaklanan yüksek voltaj ve akım nedeniyle genellikle patlayarak arızalanır. Kapanmadaki voltaj artışını sınırlamak için cihazın etrafına önemli durdurma devreleri eklenir. Snubber devresinin sıfırlanması, genellikle GTO tabanlı devrelerde minimum zaman gereksinimini ortaya çıkarır.

DC motor kıyıcı devrelerinde minimum açma ve kapama süresi, en düşük ve en yüksek görev döngüsünde değişken bir anahtarlama frekansı kullanılarak ele alınır. Bu, motor çalışırken frekansın arttığı, ardından frekansın çoğu hız aralığında sabit kaldığı, ardından frekansın tam hızda sıfıra düştüğü cer uygulamalarında gözlemlenebilir.

Uygulamalar

Ana uygulamalar değişken hızlı motor sürücüleri, yüksek güçlü invertör ve çekiştir . GTO'ların yerini giderek artan bir şekilde, GTO'nun evrimsel bir gelişimi olan entegre kapı komütasyonlu tristörler ve transistör ailesinin üyeleri olan yalıtılmış kapılı bipolar transistörler alıyor .

Referanslar

• Shah, PB Electronics Letters, cilt. 36, s. 2108, (2000).
• Shah, PB, Geil, BR, Ervin, ME ve ark. IEEE Trans. Güç Elekt., cilt. 17, s. 1073, (2002).