Запираемый тиристор (GTO) — это особый тип тиристора , который представляет собой высокомощный (например, 1200 В переменного тока) полупроводниковый прибор . Он был изобретен компанией General Electric . [1] GTO, в отличие от обычных тиристоров, являются полностью управляемыми переключателями, которые могут включаться и выключаться с помощью их затвора.
Обычные тиристоры ( кремниевые управляемые выпрямители ) не являются полностью управляемыми переключателями (полностью управляемый переключатель может быть включен и выключен по желанию). Тиристоры могут быть включены только с помощью вывода затвора, но не могут быть выключены с помощью вывода затвора. Тиристоры включаются сигналом затвора , но даже после того, как сигнал затвора деактивирован (удален, обратно смещен), тиристор остается во включенном состоянии до тех пор, пока не наступит условие выключения (которое может быть приложением обратного напряжения к клеммам или уменьшением прямого тока ниже определенного порогового значения, известного как ток удержания ). Таким образом, тиристор ведет себя как обычный полупроводниковый диод после того, как он включен или зажжен .
GTO может быть включен управляющим сигналом, а также выключен управляющим сигналом отрицательной полярности.
Включение осуществляется положительным импульсом тока между выводами затвора и катода. Поскольку затвор-катод ведет себя как PN-переход , между выводами будет некоторое относительно небольшое напряжение. Однако явление включения в GTO не так надежно, как в SCR ( тиристоре ), и небольшой положительный ток затвора должен поддерживаться даже после включения для повышения надежности.
Выключение осуществляется отрицательным импульсом напряжения между затвором и катодом. Часть прямого тока (примерно от одной трети до одной пятой) крадет и используется для создания напряжения катод-затвор, что в свою очередь приводит к падению прямого тока, и GTO выключается (переходит в состояние блокировки ).
Тиристоры GTO страдают от длительного времени выключения, когда после падения прямого тока, есть долгое время хвоста, когда остаточный ток продолжает течь, пока весь остаточный заряд из устройства не будет удален. Это ограничивает максимальную частоту переключения примерно до 1 кГц. Однако можно отметить, что время выключения GTO примерно в десять раз меньше, чем у сопоставимого SCR. [2]
Для облегчения процесса выключения тиристоры GTO обычно изготавливаются из большого количества (сотен или тысяч) небольших тиристорных ячеек, соединенных параллельно.
Распределенный буферный затвор выключаемый тиристор (DB-GTO) представляет собой тиристор с дополнительными PN слоями в области дрейфа для изменения профиля поля и увеличения напряжения, блокируемого в выключенном состоянии. По сравнению с типичной структурой PNPN обычного тиристора, тиристор DB-GTO имеет структуру PN–PN–PN.
Тиристоры GTO доступны с возможностью обратной блокировки или без нее. Возможность обратной блокировки увеличивает прямое падение напряжения из-за необходимости иметь длинную, низколегированную область P1.
Тиристоры GTO, способные блокировать обратное напряжение, известны как симметричные тиристоры GTO, сокращенно S-GTO. Обычно номинал обратного блокирующего напряжения и номинал прямого блокирующего напряжения одинаковы. Типичное применение симметричных тиристоров GTO — инвертор источника тока.
Тиристоры GTO, неспособные блокировать обратное напряжение, известны как асимметричные тиристоры GTO, сокращенно A-GTO, и, как правило, более распространены, чем симметричные тиристоры GTO. Обычно они имеют номинал обратного пробоя в десятки вольт. Тиристоры A-GTO используются там, где либо параллельно применяется диод обратной проводимости (например, в инверторах источника напряжения), либо там, где обратное напряжение никогда не возникнет (например, в импульсных источниках питания или тяговых прерывателях постоянного тока).
Тиристоры GTO могут быть изготовлены с диодом обратной проводимости в том же корпусе. Они известны как RCGTO, что означает тиристор GTO обратной проводимости.
В отличие от биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), тиристору GTO требуются внешние устройства ( снабберные цепи) для формирования токов включения и выключения с целью предотвращения разрушения устройства.
Во время включения устройство имеет максимальный номинал dI/dt, ограничивающий рост тока. Это позволяет всей массе устройства достичь включения до того, как будет достигнут полный ток. Если этот номинал будет превышен, область устройства, ближайшая к контактам затвора, перегреется и расплавится от перегрузки по току. Скорость dI/dt обычно контролируется добавлением насыщающегося реактора (демпфера включения), хотя включение dI/dt является менее серьезным ограничением для тиристоров GTO, чем для обычных тиристоров, из-за того, как GTO построен из множества небольших тиристорных ячеек, соединенных параллельно. Сброс насыщающегося реактора обычно предъявляет минимальные требования к времени выключения для схем на основе GTO.
Во время выключения прямое напряжение устройства должно быть ограничено до тех пор, пока ток не спадёт. Обычно предел составляет около 20% от номинального напряжения прямой блокировки. Если напряжение нарастает слишком быстро при выключении, не всё устройство выключится, и GTO выйдет из строя, часто взрывоопасно, из-за фокусировки высокого напряжения и тока на небольшой части устройства. Вокруг устройства добавляются существенные демпферные цепи, чтобы ограничить рост напряжения при выключении. Сброс демпферной цепи обычно предъявляет минимальные требования к времени включения для схем на основе GTO.
Минимальное время включения и выключения обрабатывается в схемах прерывателя двигателя постоянного тока с помощью переменной частоты переключения при самом низком и самом высоком рабочем цикле. Это наблюдается в тяговых приложениях, где частота будет нарастать по мере запуска двигателя, затем частота останется постоянной в большинстве диапазонов скоростей, затем частота снова упадет до нуля на полной скорости.
Основные области применения — электроприводы с переменной скоростью, мощные инверторы и тяга . GTO все чаще заменяются интегрированными тиристорами с коммутацией затворов (IGCT), которые являются эволюционным развитием GTO, и биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые являются членами семейства транзисторов .
Они также используются в пусковых цепях люминесцентных ламп .