Poarta se oprește

Gate Turn Off ( GTO ) este o diodă controlată (sau tiristor) care poate fi pornită și oprită, adică permite sau blochează trecerea curentului, acționând asupra electrodului porții . Prin urmare, depășește limitarea intrinsecă a SCR (tiristor) în care fluxul de curent, odată declanșat, poate fi întrerupt doar din cauze externe (anularea spontană sau forțată a curentului).

Descriere

Simbolul GTO

Tiristoarele normale, cunoscute și sub numele de diode controlate sau SCR ( redresor controlat cu siliciu ) nu sunt dispozitive complet controlabile (un dispozitiv complet controlabil poate fi pornit și oprit la comandă). Tiristoarele pot fi trimise în conducție (stare ON, adică „pornit”) prin aplicarea unei tensiuni adecvate unui electrod de comandă numit poartă , dar nu pot fi oprite (stare OFF, adică „oprit”) prin intermediul aceluiași electrod . Adică, tiristoarele sunt pornite de un semnal de poartă și rămân în starea ON chiar și după ce semnalul de poartă a fost eliminat. Pentru a reveni la starea OFF este necesar ca curentul care curge prin ele să fie anulat (în practică, curentul scade sub o anumită valoare limită cunoscută sub numele de curent de reținere ). În aplicațiile de curent alternativ, cum ar fi, de exemplu, în punți redresoare complet sau semi-controlate, starea de oprire este atinsă într-un „mod natural” atunci când curentul care trece prin diodă trece prin zero la sfârșitul unei jumătăți de undă. În aplicațiile cu curent continuu, pe de altă parte, este necesar să forțați "artificial" anularea curentului prin aplicarea unei tensiuni inverse la bornele diodei.
Deci, un tiristor, după ce este activat, se comportă ca o diodă semiconductoare normală.

Spre deosebire de SCR, GTO poate fi pornit ( pornit sau declanșat ) și oprit ( oprit sau dezarmat ) purtând un semnal pozitiv sau negativ la electrodul de poartă.

Pornirea (declanșatorul) este activată de un impuls de curent pozitiv între terminalele porții și catodului. Când poarta- catod se comportă ca o joncțiune pn , există o tensiune relativ scăzută între cele două borne. Cu toate acestea, activarea unui GTO nu este la fel de fiabilă ca într-un SCR ( tiristor ) și o mică tensiune pozitivă a porții trebuie menținută chiar și după declanșare pentru a-i îmbunătăți fiabilitatea.

Oprirea este activată de un impuls de tensiune negativă între terminalele porții și catodului. O parte din curentul pozitiv (aproximativ o treime până la o cincime) este scăzut și utilizat pentru a induce o tensiune între poartă și catod care, la rândul său, determină scăderea curentului pozitiv și GTO se va opri (făcând tranziția de la starea de conducere la cea a interdicției).

GTO-urile sunt supuse unor perioade lungi de declanșare, datorită faptului că, după prăbușirea curentului, există un interval lung de timp în care un curent rezidual continuă să curgă până când toată încărcătura rămasă este scoasă din dispozitiv. Aceasta limitează frecvența maximă de lucru la aprox 1 kHz . Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că timpul de dezactivare a unui SCR comparabil este de zece ori mai mare decât al unui GTO. Prin urmare, frecvența de lucru a unui GTO este în orice caz mai mare decât cea a unui SCR cu aceleași caracteristici.

^{Comparație între un SCR și un GTO cu aceleași caracteristici. [ fără sursă ]}

Tiristorul de oprire a porții tampon distribuite

Tiristorul de oprire a porții tampon distribuite (DB-GTO) este un tiristor care are o joncțiune PN suplimentară în regiunea de derivare. Structura acestui dispozitiv este deci compusă din joncțiuni dopate PN-PN-PN. Această tehnologie permite „reformarea” profilului câmpului electric și creșterea tensiunii care poate fi blocată în starea „oprit”.

Inversare inversă

Tiristoarele GTO sunt disponibile cu sau fără capacitate de blocare inversă. Capacitatea de blocare inversă se adaugă la căderea pozitivă de tensiune datorită necesității unei regiuni P1 lungi, cu nivel scăzut de dopaj .

Tiristoarele GTO de tensiune de blocare inversă sunt cunoscute sub numele de tiristoare GTO simetrice, S-GTO pe scurt. De obicei, nivelul tensiunii de strângere inversă și pozitivă este același. Aplicarea tipică a unui tiristor GTO simetric este în invertoarele sursei de alimentare.

Tiristoarele GTO fără blocare de tensiune inversă sunt cunoscute sub numele de tiristoare GTO asimetrice, A-GTO pe scurt. De obicei, au un nivel de defalcare inversă în zeci de volți. Tiristoarele A-GTO sunt utilizate fie în cazul în care o diodă de conducere inversă este aplicată în paralel (de exemplu, în invertoarele de sursă de tensiune), fie în cazul în care nu ar trebui să apară niciodată o tensiune inversă (de exemplu, în sursele de alimentare de comutare sau în circuitele de tăiere DC pentru tracțiune).

Tiristoarele GTO asimetrice pot fi fabricate cu o diodă de control inversă în același modul. Acestea sunt cunoscute sub numele de RCGTO, care înseamnă „GTO cu conducere inversă”.

Zona de operare sigură (SOA)

Spre deosebire de IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) sau IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) , GTO are nevoie de un circuit extern pentru a gestiona rampele curente la declanșare și tensiunea la decuplare pentru a preveni distrugerea dispozitivului.

In timpul excitante a GTO, rata de schimbare a curentului (exprimată prin derivatul său în raport cu timpul di / dt) trebuie menținută sub o valoare limită, în funcție de caracteristicile fizice ale dispozitivului. În acest fel, întreaga masă a GTO poate deveni conductivă înainte de atingerea valorii nominale a curentului de sarcină. În schimb, dacă raportul di / dt ar fi depășit, regiunea dispozitivului cel mai apropiat de contactele porții s-ar supraîncălzi și s-ar topi din cauza densității excesive de curent.
Raportul di / dt este în general controlat cu utilizarea unui miez inductor saturabil inserat în serie la GTO. Prezența inductorului necesită ca intervalul de timp dintre oprire și pornirea ulterioară a GTO să fie mai mare sau egal cu un „timp minim de OPRIRE” necesar pentru a elimina energia magnetică acumulată în inductor în timpul fazei de conducere , aducându-l astfel înapoi la condițiile sale inițiale.

În timpul opririi GTO, tensiunea peste el trebuie limitată până când curentul este zero. Limita este de obicei stabilită în jurul valorii de 20% din tensiunea maximă de lucru a dispozitivului. Dacă tensiunea crește prea repede în timpul decuplării, doar o parte a dispozitivului se va dezactiva și valorile ridicate ale curentului și tensiunii concentrate într-o mică parte din acesta vor provoca daune, adesea exploziv.
Creșterea tensiunii la declanșare este, în general, controlată cu utilizarea unui supresor tranzitoriu ( snubber ) introdus în paralel cu GTO. Prezența snubber-ului necesită ca intervalul de timp dintre aprindere și oprirea ulterioară a GTO să fie mai mare sau egal cu un „timp minim de pornire” necesar pentru a elimina energia acumulată în supresor în timpul fazei de interdicție, aducându-l înapoi deci în condițiile inițiale.

În acționările motorului de curent continuu ale elicopterului , limitările impuse de timpii minimi de pornire și oprire sunt depășite prin variația frecvenței de comutare în condițiile extreme ale ciclului de funcționare .
În aplicațiile de tracțiune feroviară , de exemplu, turația motorului este reglată în mod normal prin menținerea frecvenței de comutare fixată la o anumită valoare nominală pe cea mai mare parte a domeniului de viteză și acționând asupra valorii ciclului de funcționare (pe măsură ce ciclul de funcționare crește, există o creștere a valorii progresive a valorii medii a tensiunii și, prin urmare, o viteză mai mare de rotație a motorului).
La pornire, deoarece ciclul de funcționare nu poate scădea sub o valoare minimă impusă de „timpul minim de pornire”, reglarea vitezei de rotație trebuie obținută prin variația valorii frecvenței de comutare, care va fi făcută să crească progresiv de la zero la pentru a atinge valoarea nominală.
La viteze mari de rotație, având în vedere că ciclul de funcționare nu poate crește peste o valoare maximă impusă de „timpul minim de oprire”, reglarea vitezei de rotație trebuie obținută prin variația valorii frecvenței de comutare, care va fi redusă progresiv din valoarea nominală până la zero, aplicând astfel tensiune linie completă la motor.

Aplicații

GTO găsește aplicația în următoarele câmpuri:

• Concasor electric.
• Invertor de putere.
• Angrenaje de motoare electrice.

Bibliografie

• Shah, PB Electronics Letters, voi. 36, p. 2108, (2000).
• Shah, PB, Geil, BR, Ervin, ME et al. IEEE Trans. Putere Elect., Vol. 17, p. 1073, (2002).

Elemente conexe

• Tranzistor bipolar cu poartă izolată

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Gate Turn Off