Тиристор с затвором (GTO) — это особый тип тиристора , который представляет собой полупроводниковый прибор большой мощности (например, 1200 В переменного тока) . Его изобрела компания General Electric . [1] GTO, в отличие от обычных тиристоров, представляют собой полностью управляемые переключатели, которые можно включать и выключать с помощью вывода затвора.
Обычные тиристоры ( кремниевые выпрямители ) не являются полностью управляемыми переключателями (полностью управляемый переключатель можно включать и выключать по желанию). Тиристоры можно включить только с помощью вывода затвора, но нельзя выключить с помощью вывода затвора. Тиристоры включаются сигналом затвора , но даже после того, как сигнал затвора снимается (снимается, смещается в обратном направлении), тиристор остается во включенном состоянии до тех пор, пока не наступит состояние выключения (которое может быть приложением обратного напряжения к клеммам или уменьшение прямого тока ниже определенного порогового значения, известного как ток удержания ). Таким образом, тиристор после включения или зажигания ведет себя как обычный полупроводниковый диод .
GTO может быть включен строб-сигналом, а также может быть выключен строб-сигналом отрицательной полярности.
Включение осуществляется положительным импульсом тока между выводами затвора и катода. Поскольку затвор-катод ведет себя как PN-переход , между выводами будет относительно небольшое напряжение. Однако явление включения в GTO не так надежно, как в тиристоре ( тиристоре ), и для повышения надежности необходимо поддерживать небольшой положительный ток затвора даже после включения.
Выключение осуществляется импульсом отрицательного напряжения между выводами затвора и катода. Некоторая часть прямого тока (примерно от одной трети до одной пятой) украдена и используется для создания напряжения на катод-затворе, что, в свою очередь, приводит к падению прямого тока, и GTO выключается (переходя в состояние блокировки ). .
Тиристоры GTO страдают от длительного времени выключения, в результате чего после падения прямого тока существует длительное время, в течение которого остаточный ток продолжает течь, пока весь оставшийся 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 быстрее, чем у сопоставимого SCR. [2]
Чтобы облегчить процесс выключения, тиристоры GTO обычно состоят из большого количества (сотни или тысячи) небольших тиристорных ячеек, соединенных параллельно.
Тиристор отключения с распределенным буферным затвором (DB-GTO) представляет собой тиристор с дополнительными PN-слоями в области дрейфа для изменения формы 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 ГТО, способные блокировать обратное напряжение, известны как симметричные тиристоры ГТО, сокращенно С-ГТО. Обычно номинальное напряжение обратной блокировки и номинальное напряжение прямой блокировки одинаковы. Типичным применением симметричных тиристоров GTO является инвертор источника тока.
Тиристоры GTO, неспособные блокировать обратное напряжение, известны как асимметричные тиристоры GTO, сокращенно A-GTO, и обычно более распространены, чем симметричные тиристоры GTO. Обычно они имеют номинал обратного пробоя в десятки вольт. Тиристоры A-GTO используются там, где параллельно применяется диод обратной проводимости (например, в инверторах источника напряжения) или там, где обратное напряжение никогда не возникает (например, в импульсных источниках питания или тяговых прерывателях постоянного тока).
Тиристоры ГТО могут быть изготовлены с диодом обратной проводимости в том же корпусе. Они известны как RCGTO, что означает тиристор GTO с обратной проводимостью.
В отличие от биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), тиристору GTO требуются внешние устройства ( снабберные цепи) для формирования токов включения и выключения во избежание разрушения устройства.
Во время включения устройство имеет максимальный номинал dI/dt, ограничивающий рост тока. Это сделано для того, чтобы вся часть устройства могла включиться до того, как будет достигнут полный ток. Если этот номинал будет превышен, область устройства, ближайшая к контактам затвора, перегреется и расплавится из-за 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 способа управления GTO. построен из множества небольших тиристорных ячеек, соединенных параллельно. Сброс насыщающегося реактора обычно требует минимального времени простоя для схем на основе GTO.
Во время выключения прямое напряжение устройства должно быть ограничено до тех пор, пока ток не угаснет. Предел обычно составляет около 20% от номинального напряжения прямой блокировки. Если напряжение при выключении возрастает слишком быстро, не все устройство выключится, и GTO выйдет из строя, часто взрывоопасно, из-за высокого напряжения и тока, сосредоточенного на небольшой части устройства. Вокруг устройства добавлены значительные демпфирующие цепи, чтобы ограничить рост напряжения при выключении. Сброс схемы демпфера обычно предъявляет минимальные требования к времени включения для схем на основе GTO.
Минимальное время включения и выключения обеспечивается в схемах прерывателя двигателя постоянного тока за счет использования переменной частоты переключения при минимальном и максимальном рабочем цикле. Это наблюдается в тяговых приложениях, где частота увеличивается при запуске двигателя, затем частота остается постоянной в большинстве диапазонов скоростей, а затем частота снова падает до нуля на полной скорости.
Основные области применения — электроприводы с регулируемой скоростью, мощные инверторы и тяга . GTO все чаще заменяются интегрированными тиристорами с коммутацией затвора (IGCT), которые являются эволюционным развитием GTO, и биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые являются членами семейства транзисторов .
Их также применяют в цепях стартеров люминесцентных ламп .