Tyristor pro vypnutí brány - Gate turn-off thyristor

Tyristor GTO pro vypnutí brány

Zjednodušený průřez tyristorem GTO
Typ	aktivní
Vynalezeno	General Electric
Konfigurace kolíků	anoda, brána, katoda
Elektronický symbol

A tyristor vypnutí brány (GTO) je speciální typ tyristor, což je vysoký výkon polovodičové zařízení. To bylo vynalezeno General Electric.^[1] GTO, na rozdíl od normálních tyristorů, jsou plně ovladatelné spínače, které lze zapínat a vypínat pomocí jejich třetího vedení, vedení brány.

Popis zařízení

Ekvivalentní obvod tyristoru GTO

Normální tyristory (křemíkem řízené usměrňovače ) nejsou plně ovladatelné spínače („plně ovladatelný spínač“ lze libovolně zapínat a vypínat). Tyristory lze zapnout pouze pomocí vedení brány, nelze je však vypnout pomocí vedení brány. Tyristory jsou zapnuty pomocí a signál brány, ale i poté, co je signál brány zrušen (odstraněn), tyristor zůstává ve stavu ZAPNUTO, dokud nenastane stav vypnutí (což může být aplikace reverzního napětí na svorky nebo snížení dopředného proud pod určitou prahovou hodnotu známou jako „udržovací proud“). Tyristor se tedy chová jako normální polovodičová dioda po zapnutí nebo „spuštění“.

GTO lze zapnout signálem brány a lze jej také vypnout signálem brány se zápornou polaritou.

Zapnutí je dosaženo pulzem „kladného proudu“ mezi svorkami hradla a katody. Jak se brána-katoda chová jako PN spojení, mezi svorkami bude relativně malé napětí. Fenomén zapnutí v GTO však není tak spolehlivý jako SCR (tyristor ) a musí být zachován malý kladný proud brány i po zapnutí, aby se zvýšila spolehlivost.

Vypnutí je dosaženo pulzem „záporného napětí“ mezi svorkami hradla a katody. Část dopředného proudu (přibližně jedna třetina až pětina) je „odcizena“ a použita k vyvolání napětí katodové hradly, které zase způsobí pokles dopředného proudu a GTO se vypne (přechod na „blokování“) Stát.)

GTO tyristory trpí dlouhými vypínacími časy, kdy po poklesu dopředného proudu existuje dlouhá doba, kdy zbytkový proud teče, dokud není odebrán veškerý zbývající náboj ze zařízení. To omezuje maximální přepínání frekvence na přibližně 1 kHz. Lze však poznamenat, že doba vypnutí GTO je přibližně desetkrát rychlejší než doba srovnatelného SCR.^[2]

Aby se napomohlo procesu vypínání, tyristory GTO jsou obvykle konstruovány z velkého počtu (stovek nebo tisíců) malých tyristorových článků zapojených paralelně.

^{Porovnání SCR a GTO se stejným hodnocením.}

A distribuovaný tyristor vypínající hradlovou bránu (DB-GTO) je a tyristor s dalšími vrstvami PN v oblasti driftu k přetvoření profilu pole a zvýšení napětí blokovaného ve vypnutém stavu. Ve srovnání s typickou strukturou PNPN konvenčního tyristoru má tyristor DB-GTO strukturu PN-PN-PN.

Reverzní zkreslení

Tyristory GTO jsou k dispozici s nebo bez možnosti zpětného blokování. Schopnost reverzního blokování přispívá k poklesu dopředného napětí kvůli potřebě mít dlouhou oblast P1 s nízkým dopováním.

Tyristory GTO schopné blokovat reverzní napětí jsou známé jako tymetory GTO symetrické, zkráceně S-GTO. Obvykle jsou jmenovité hodnoty reverzního blokovacího napětí a dopředného blokovacího napětí stejné. Typická aplikace pro symetrické tyristory GTO je ve střídači zdroje proudu.

GTO tyristory neschopné blokovat reverzní napětí jsou známé jako asymetrické tyristory GTO, zkráceně A-GTO, a jsou obecně častější než tymetry symetrické GTO. Obvykle mají reverzní rozdělení hodnocení v desítkách voltů. Tyristory A-GTO se používají tam, kde je paralelně aplikována reverzně vodivá dioda (například u střídačů se zdrojem napětí) nebo tam, kde by nikdy nedošlo k reverznímu napětí (například v spínané napájecí zdroje nebo DC trakční vrtulníky).

Tyristory GTO mohou být vyrobeny s reverzně vodivou diodou ve stejném balení. Tito jsou známí jako RCGTO, pro reverzní vedení GTO tyristoru.

Bezpečný operační prostor

Na rozdíl od izolovaný hradlový bipolární tranzistor (IGBT), tyristor GTO vyžaduje externí zařízení ("urážka obvodů)) pro tvarování zapnutí a vypnutí proudů, aby se zabránilo zničení zařízení.

Během zapnutí má zařízení maximální hodnotu dI / dt omezující vzestup proudu. To umožňuje, aby se celá část zařízení dosáhla zapnutí před dosažením plného proudu. Pokud je toto hodnocení překročeno, oblast zařízení nejblíže kontaktům brány se přehřeje a roztaví se z nadproudu. Rychlost dI / dt je obvykle řízena přidáním a saturovatelný reaktor (zapínací tlumič), i když zapínací dI / dt je méně závažným omezením u tyristorů GTO než u normálních tyristorů, kvůli způsobu, jakým je GTO konstruováno z mnoha malých tyristorových buněk paralelně. Reset saturovatelného reaktoru obvykle klade na obvody založené na GTO minimální požadavek na dobu vypnutí.

Během vypnutí musí být dopředné napětí zařízení omezeno, dokud proud nevypadne. Limit je obvykle kolem 20% jmenovitého napětí blokujícího dopředu. Pokud při vypnutí napětí stoupá příliš rychle, ne celé zařízení se vypne a GTO selže, často výbušně, kvůli vysokému napětí a proudu zaměřenému na malou část zařízení. Podstatné urážka kolem zařízení jsou přidány obvody, které omezují nárůst napětí při vypnutí. Resetování tlumícího obvodu obvykle u obvodů založených na GTO stanoví minimální požadavek na čas.

Minimální doba zapnutí a vypnutí je v obvodech stejnosměrného motoru řízena pomocí proměnné spínací frekvence při nejnižším a nejvyšším pracovním cyklu. To je pozorovatelné v trakčních aplikacích, kde se frekvence rozběhne při spuštění motoru, poté zůstane frekvence konstantní ve většině rozsahů otáček, poté frekvence klesne zpět na nulu při plné rychlosti.

Aplikace

Hlavní aplikace jsou v motorových pohonech s proměnnými otáčkami, vysoce výkonném měniči a trakce. GTO jsou stále více nahrazovány integrované tyristory komutované s hradlem, které představují vývojový vývoj GTO, a izolované bipolární tranzistory, kteří jsou členy tranzistor rodina.

Reference

• Shah, P.B. Electronics Letters, sv. 36, s. 2108, (2000).
• Shah, P. B., Geil, B. R., Ervin, M. E. a kol. IEEE Trans. Power Elect., Sv. 17, s. 1073, (2002).