GTO ساختار، عملیات، مزایا، معایب و کاربردها

GTO چیست؟ انواع، ساختار، نحوه کار و کاربردها

تریستور یک سوئیچ نیمه ­هادی یک طرفه‌است که جریان بالا را در حالت روشن[1] هدایت‌می­کند و ولتاژهای بالا را در حالت خاموش[2] مسدود‌می­کند. دارای سه ترمینال گیت (G)، کاتد (K) و آند (A)است. ترمینال کاتد و آند برای هدایت جریان اصلی‌استفاده‌می­شود درحالی که ترمینال گیت وضعیت تریستور راتغییر‌می­دهد. این یک کلید نیمه کنترلی‌است که‌می­توان آن را با اعمال جریان گیت مثبت روشن‌کرد اما قابلیت خاموش شدن بااستفاده از همان گیت راندارد. جریان اصلی باید قطع‌شود تا تریستور با استفاده از مدار کموتاسیون[3] خاموش‌شود. برای غلبه بر این مشکل GTO طراحی‌شده‌است.

GTO یا تریستور خاموش با گیت نوعی تریستور‌است که کنترل کامل روی سوئیچینگ راارائه‌می­‌دهد. می­توان آن را با استفاده از همان ترمینال گیت روشن و خاموش‌کرد. GTO شباهت­های زیادی با تریستور معمولی‌دارد. پست مرتبط: انواع IGBT، ساختار، نحوه کار و کاربردها

GTOسمبل، ساختار، نحوه کار و کاربردها

فهرست مطالب

• GTO چیست؟
• ساختار GTO
• اصل عملیات GTO

-مکانیزم مد-روشن

-مکانیزم مد-خاموش

• انواع GTO

GTO- نامتقارن

GTO- متقارن

• حالت­های عملکرد GTO

-مد مسدود کردن مستقیم[4]

-حالت هدایت مستقیم

-مد مسدود کردن معکوس[5]

• خصیصه­ های منحنی­ های ولت-آمپر GTO
• مزایا و معایب GTO
• کاربردهای GTO

 GTO چیست؟

GTO (با نام مستعار خاموش با گیت Gate Turn Off) یک وسیله سوئیچینگ یک طرفه کاملاً کنترل شده (تریستور) مبتنی بر نیمه هادی‌است که دارای 3 ترمینال گیت، کاتد و آنداست. می‌توان آن را بااستفاده از ترمینال گیت روشن/خاموش‌کرد.

سمبل تریستور خاموش شده با گیت (GTO)

یک پالس جریان مثبت در گیت GTO را روشن‌می­کند در حالی که یک پالس جریان منفی در گیت آن را خاموش‌می­کند. یک جهته‌است، بنابراین، فقط جریان را از آند به کاتد راه‌می­دهد.

درست مانند یک تریستور معمولی، می­توان آن رابا استفاده از یک پالس جریان مثبت در گیت به حالت هدایت تبدیل‌کرد. افت ولتاژ در مد هدایت کم‌دارد. با این حال، جریان خاموش مورد نیاز در گیت نسبتا زیاداست. پالس جریان منفی در گیت تقریباً یک چهارم جریان آنداست.

ساختار GTO

 GTO وسیله 4 لایه PNPN با 3 پیوند PN و 3 ترمینال گیت (G)، آند (A)  و کاتد (C)‌است.

آند یک الکترود فلزی‌است که به ناحیه P+ به‌شدت ناخالص شده‌متصل‌است. دوپینگ بالا نگه‌داشته‌می­شود تا راندمان آند بالا حفظ‌شود. دوپینگ سنگین زمان روشن شدن راکاهش‌می­دهد اماهمچنین زمان خاموشی راباتلفات توان افزایش‌میدهد. برای جلوگیری از این مشکل، نواحی N+ به ناحیه آند به نام ساختار آند کوتاه شده اضافه‌می‌شوند. ولتاژ بلوک شده معکوس را با زمان­‌بندی بهتر خاموش شدن، کاهش‌می­دهد. بنابراین آند کوتاه شده بر اساس عملکرد مورد نیاز طراحی‌می­شود.

ساختار GTO

در بالای ناحیه آند، یک ناحیه بیس نوع N اضافه‌شده‌ست که اتصال پیوند PN J1  را تشکیل‌می­دهد که در آن دوپینگ[6] و عرض این ناحیه ظرفیت ولتاژ مسدود کننده مد مستقیم وسیله را تعیین می‌کند. سطح دوپینگ پایین و افزایش عرض این لایه باعث افزایش ولتاژ بلاک شده GTO در مد مستقیم‌می­شود.

ناحیه گیت نوع P در بالای لایه بیس N اضافه‌می­شود و اتصال دوم  j2 را تشکیل‌می­دهد. این منطقه به دلایل ذکر‌شده نه به شدت دوپینگ‌می­شود و نه به کم دوپینگ‌می­شود. دوپینگ سنگین گیت باعث  زمان خاموشی بهتر‌می­شود و دوپینگ سبک راندمان امیتر رااز ناحیه کاتد افزایش‌می­دهد. به همین‌دلیل‌است که ناحیه گیت P به طور متوسط دوپ  (ناخالص) شده‌است. کاتد به یک لایه N+ به شدت دوپ شده‌متصل‌است. به شدت دوپ شده‌است تا بازده امیتر بالاتری داشته‌باشد اما به قیمت کاهش ولتاژ شکست[7].

 اصول عملیات GTO

GTO مانند یک تریستور معمولی عمل‌می­کند با این تفاوت که دارای قابلیت خاموش شدن‌است.

مکانیزم روشن کردن

GTO عملکرد خاموشی مشابه تریستورهای معمولی‌دارد. می­توان آن را با استفاده از دو روش روشن کرد، یعنی افزایش ولتاژ مد مستقیم بالاتر از ولتاژ شکست، اعمال جریان گیت مثبت.

هنگامی که ولتاژ مد مستقیم به GTO اعمال‌می­شود، یعنی ولتاژ آند نسبت به کاتد مثبت‌است، اتصال j1 و j3 بایاس مد فوروارد‌می­شود در حالی که اتصال j2 بایاس معکوس‌می­شود. j2 بایاس معکوس اجازه‌نمی­دهد جریان از دستگاه عبورکند. اگر فوروارد بالاتر از ولتاژ شکست مد مستقیم افزایش‌یابد، بهمن[8] رخ خواهد‌داد. و J2 بایاس مستقیم‌می­شود و اجازه‌می­دهد جریان جاری‌شود.

این نوع سوئیچینگ مخرب‌است و باید از آن اجتناب‌کرد. روش صحیح راه­اندازی GTO با اعمال جریان گیت مثبت هنگام اعمال ولتاژ مستقیم‌است. اعمال جریان مثبت در گیت، حفره‌­هایی را به ناحیه گیت P وارد‌می­کند که باعث بایاس مستقیم j3 می­شود. بنابراین اجازه می­دهد تا جریان از طریق آن عبور‌کند.

مکانیسم خاموش کردن

برای خاموش کردن GTO، ترمینال گیت با جریان منفی یا ولتاژ منفی نسبت به کاتد اعمال‌می­شود.حفره ­هایی[9] که از طریق آند وارد‌می­شوند از طریق ترمینال گیت استخراج‌می­شوند. این اتصال j3 را بایاس معکوس‌می­کند که تزریق الکترون از ناحیه کاتد را متوقف‌می­کند.

دراین زمان، جریان کاتدی وجود ندارد‌اما جریان آند همچنان از ترمینال گیت عبورمی­کند که به آن “جریان برگشتی (تخلیه)”[10] گویند. به صورت تصاعدی کاهش‌می­‌یابد. و هنگامی که به صفررسید، دستگاه به طور کامل خاموش‌می­شود و ولتاژ ترمینال­‌های خود را مسدودمی‌کند. جریان خاموشی مورد نیاز برای GTO به ولتاژ و جریان آند بستگی‌دارد اما معمولاً یک چهارم جریان آند‌است.

انواع GTO

بر اساس ساختار دو نوع GTO وجود‌دارد.

GTO نامتقارن

نوع نامتقارن نوع متداول GTOاست که با نام ” GTO آند کوتاه ” نیز شناخته‌می­شود، دارای قابلیت مسدود کردن ولتاژ نامتقارن‌هستند، یعنی ولتاژ مسدود کننده مد مستقیم با ولتاژ مسدود کننده معکوس برابر نیست. ولتاژ مسدود کننده معکوس بسیار کمتر از ولتاژ مسدود کننده مستقیم‌است. معمولاً با دیود در حالت موازی-مخالف استفاده‌می­شود.

GTO متقارن

GTO متقارن دارای قابلیت مسدود کردن ولتاژ متقارن‌است. ولتاژ مسدود کننده معکوس به اندازه ولتاژ مستقیم است. ساختار “آند کوتاه” ندارد، در عوض آند از ناحیه P+ خالص‌ساخته‌شده‌است.

حالت­های عملکرد

تریستور خاموش با گیت درست مانند تریستور می­تواند در سه حالت زیر عمل کند.

حالت مسدود کردن (بلاکینگ) مستقیم

هنگامی که ولتاژ آند به کاتد اعمال شده مثبت‌است اما جریان گیت وجود ندارد. وسیله جریان رو به جلو را هدایت نمی­کند و جریان را مسدود‌می­کند مگر اینکه ولتاژ آند نسبت به ولتاژ شکست افزایش یابد یا جریان گیت اعمال شود. به این مد حالت مسدود کردن مستقیم گفته‌می­شود.

حالت هدایت مستقیم

در این حالت، GTO در مد هدایت‌است و از آنجایی که یک جهته‌است. جریان را از آند به کاتد هدایت می‌کند. GTO دقیقاً مانند تریستور می­تواند با اعمال جریان گیت که راه مناسبی‌است یا افزایش ولتاژ آند بالاتر از ولتاژ شکست، وارد رسانایی‌شود.

حالت مسدود کردن معکوس

هنگامی که ولتاژ آند نسبت به کاتد منفی می­شود­ جریان را مسدود می­کند. این وسیله یک جهته است،  ان جریان جاری نمی­شود این جهت معکوس است. اما اگر ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست معکوس بیشتر شود، هدایت را آغاز‌می­کند.

خصیصه‌های ولت آمپر(VI) GTO

خصیصه­‌های ولت آمپر GTO شبیه تریستور معمولی‌است به جز خاموش شدن گیت. GTO در ربع اول و سوم عمل‌می­کند. نمودار زیر رابطه بین ولتاژ آند Va و جریان آند lc را نشان‌می­دهد.

در ربع اول، ولتاژ آند Va نسبت به کاتد مثبت‌است، وسیله در حالت مسدود کردن مستقیم‌است اما هنوز جریان نشتی[11] رو به جلو وجوددارد. با افزایش Va بالاتر از شکست مستقیم بیش از ولتاژ VBF یا اعمال جریان گیت، GTO باعث هدایت‌می­شود و اجازه می­دهد جریان آند la از آن عبور کند باعث کاهش افت ولتاژ دو سر آن در حالت روشن Va می­شود.

اعمال جریان منفی به گیت باعث خاموش شدن GTO می­شود. Ia کاهش یافته در حالی که Va شروع به ظاهر شدن در دوسر آن می­شود.

در ربع سوم، Va اعمال شده با توجه به کاتد منفی‌است. دستگاه در مد مسدود کردن معکوس‌است اما یک نشتی جریان به نام جریان نشتی معکوس وجود دارد. اگر ولتاژ از ولتاژ شکست معکوس VBR بیشتر شود، دستگاه هدایت را به صورت معکوس آغاز می‌کند. تا زمانی که مدت آن کم باشد، مخرب نیست. مدت زمان طولانی در مد هدایت معکوس خواهد‌بود. از آنجا که مدت زمان کوچک‌است مخرب‌نیست. مدت زمان زیاد هدایت در حالت معکوس به دستگاه آسیب‌می­رساند.

 مزایا و معایب GTO

مزایا

GTO یا تریستور با گیت خاموش کننده مزایای زیررادارد

• GTO دارای ویژگی مد خاموشی است و بنابراین استفاده از مدار کموتاسیون را حذف می­کند. به نوبه خود، اندازه و وزن مدار به طور قابل توجهی کاهش می­یابد.
• زمان خاموشی کم با سوئیچینگ کارآمددارد.
• دارای ویژگی­های سوئیچینگ بهتری نسبت به تریستور معمولی‌است.
• قابلیت مسدود کردن ولتاژ بالاتری دارد.
• دارای قابلیت­های اضافه جریان بالاتر‌است.
• به دلیل عدم وجود مدار کموتاسیون اضافی مقرون به صرفه‌است.
• به دلیل عدم تلفات ناشی از کموتاسیون اجباری در تریستور معمولی، راندمان بالاتری دارد.
• می­تواند نوسانات جریانی مشابه تریستورهای معمولی را تحمل‌کند.

معایب GTO

دارای معایب زیر‌است:

• تلفات درایو گیت و تلفات مد روشن بیشتر از تریستور معمولی‌است.
• جریان گیت مورد نیاز برای راه اندازی GTO بیشتر از تریستور معمولی‌است.
• افت ولتاژ در مد روشن بیشتر‌است.
• نمی­تواند ولتاژهای معکوس بالا را تحمل کند.
• دامنه جریان قفل شدن (قطع و وصل) و نگهدارنده بالاتری دارد.

کاربردهای GTO

به دلیل ویژگی­های سوئیچینگ برتر و قابلیت­های خاموشی بدون نیاز به مدار کموتاسیون، GTO در کاربردهای مختلف نسبت به تریستور معمولی ارجحیت‌دارد.

برخی از این کاربردهای GTO در زیر آورده‌شده‌است:

• در درایوهای موتور AC با کارایی بالا مانند درایوهای موتور DC نیز‌استفاده‌می­شود.
• در VFD (درایو فرکانس متغیر) با فرکانس قابل تنظیم‌استفاده‌می­شود.
•  مبدل­های DC به AC یا DC به DC‌استفاده‌می­شود.
• در برش­ دهنده ­های[12] DC‌استفاده‌می­شود.
• در اینورترها‌استفاده‌می­شود.
•  سیستم­ های HVDC‌استفاده‌می­شود.
• در گرمایش القایی‌استفاده‌می­شود.
•  منابع تغذیه AC/DC با قدرت بالا‌استفاده‌می­شود.
  

  مقالات مرتبط:

  خودرو های الکتریکی در ایران

  Electrical Technology

  What is GTO? Types, Construction, Working and Applications

[1] On-state

[2] Off-state

[3] Commutation

[4] Forward

[5] Reverse

[6] Doping

[7] Break down

[8] Avalanche

[9] Holes

[10] Tail current

[11] Leaking current

[12] Chopper