Tiristor de desligamento do portão - Gate turn-off thyristor

Tiristor de desligamento de portão (GTO)

Seção transversal simplificada de um tiristor GTO
Modelo	ativo
Inventado	Elétrica geral
Configuração de pinos	ânodo , portão , cátodo
Símbolo eletrônico

Um tiristor de desligamento de porta (GTO) é um tipo especial de tiristor , que é um dispositivo semicondutor de alta potência . Foi inventado pela General Electric . Os GTOs, ao contrário dos tiristores normais, são interruptores totalmente controláveis ​​que podem ser ligados e desligados por seu terceiro terminal, o terminal do gate.

Descrição do dispositivo

Circuito equivalente de um tiristor GTO

Tiristores normais ( retificadores controlados por silício ) não são chaves totalmente controláveis ​​(uma "chave totalmente controlável" pode ser ligada e desligada à vontade). Os tiristores só podem ser LIGADOS usando o cabo do gate, mas não podem ser DESLIGADOS usando o cabo do gate. Os tiristores são LIGADOS por um sinal de portão , mas mesmo depois que o sinal de portão é desabilitado (removido), o tiristor permanece no estado LIGADO até que ocorra uma condição de desligamento (que pode ser a aplicação de uma tensão reversa ao terminais ou uma diminuição da corrente direta abaixo de um certo valor limite conhecido como "corrente de retenção"). Assim, um tiristor se comporta como um diodo semicondutor normal depois de ser ligado ou "disparado".

O GTO pode ser ativado por um sinal de porta e também pode ser desativado por um sinal de porta de polaridade negativa.

A ativação é realizada por um pulso de "corrente positiva" entre a porta e os terminais do cátodo. Como a porta-catodo se comporta como uma junção PN , haverá uma voltagem relativamente pequena entre os terminais. O fenômeno de ativação no GTO, entretanto, não é tão confiável quanto um SCR ( tiristor ) e uma pequena corrente de porta positiva deve ser mantida mesmo após a ativação para melhorar a confiabilidade.

O desligamento é realizado por um pulso de "tensão negativa" entre a porta e os terminais do cátodo. Parte da corrente direta (cerca de um terço a um quinto) é "roubada" e usada para induzir uma tensão de porta catódica que, por sua vez, faz com que a corrente direta caia e o GTO desligue (fazendo a transição para o 'bloqueio' Estado.)

Os tiristores GTO sofrem de longos tempos de desligamento, nos quais, após a queda da corrente direta, há um longo tempo de cauda em que a corrente residual continua a fluir até que toda a carga restante do dispositivo seja retirada. Isso restringe a frequência máxima de chaveamento a aproximadamente 1 kHz. Pode-se notar, entretanto, que o tempo de desligamento de um GTO é aproximadamente dez vezes mais rápido do que o de um SCR comparável.

Para auxiliar no processo de desligamento, os tiristores GTO são geralmente construídos a partir de um grande número (centenas ou milhares) de pequenas células de tiristores conectadas em paralelo.

^{Comparação de um SCR e GTO de mesma classificação.}

Um tiristor de desligamento de porta de buffer distribuído (DB-GTO) é um tiristor com camadas PN adicionais na região de deriva para remodelar o perfil do campo e aumentar a tensão bloqueada no estado desligado. Comparado a uma estrutura PNPN típica de um tiristor convencional, o tiristor DB-GTO tem uma estrutura PN-PN-PN.

Polarização inversa

Os tiristores GTO estão disponíveis com ou sem capacidade de bloqueio reverso. A capacidade de bloqueio reverso aumenta a queda de tensão direta por causa da necessidade de ter uma região P1 longa e dopada de baixo.

Os tiristores GTO capazes de bloquear a voltagem reversa são conhecidos como tiristores GTO simétricos, abreviados S-GTO. Normalmente, a classificação de tensão de bloqueio reverso e a classificação de tensão de bloqueio direto são as mesmas. A aplicação típica para tiristores GTO simétricos é no inversor de fonte de corrente.

Os tiristores GTO incapazes de bloquear a voltagem reversa são conhecidos como tiristores GTO assimétricos, abreviados A-GTO, e são geralmente mais comuns do que os tiristores GTO simétricos. Eles normalmente têm uma classificação de ruptura reversa na casa das dezenas de volts. Os tiristores A-GTO são usados ​​onde um diodo de condução reversa é aplicado em paralelo (por exemplo, em inversores de fonte de tensão) ou onde a tensão reversa nunca ocorreria (por exemplo, em fontes de alimentação de comutação ou choppers de tração CC).

Os tiristores GTO podem ser fabricados com um diodo condutor reverso no mesmo pacote. Estes são conhecidos como RCGTO, para tiristor de condução reversa GTO.

Área de operação segura

Ao contrário do transistor bipolar de porta isolada (IGBT), o tiristor GTO requer dispositivos externos (" circuitos de amortecimento ") para dar forma às correntes de ativação e desativação para evitar a destruição do dispositivo.

Durante a ativação, o dispositivo tem uma classificação máxima dI / dt que limita o aumento da corrente. Isso permite que todo o dispositivo seja ligado antes que a corrente total seja atingida. Se essa classificação for excedida, a área do dispositivo mais próxima aos contatos do portão superaquecerá e derreterá com a sobrecarga da corrente. A taxa de dI / dt é geralmente controlada pela adição de um reator saturável (snubber de ativação), embora a ativação de dI / dt seja uma restrição menos séria com tiristores GTO do que com tiristores normais, devido à forma como o GTO é construído a partir de muitas células tiristores pequenas em paralelo. A reinicialização do reator saturável geralmente impõe um requisito de tempo mínimo de desligamento em circuitos baseados em GTO.

Durante o desligamento, a tensão direta do dispositivo deve ser limitada até que a corrente diminua. O limite é geralmente em torno de 20% da classificação de tensão de bloqueio direto. Se a tensão aumentar muito rápido ao desligar, nem todos os dispositivos serão desligados e o GTO falhará, muitas vezes de forma explosiva, devido à alta tensão e corrente focadas em uma pequena parte do dispositivo. Circuitos de amortecimento substanciais são adicionados ao redor do dispositivo para limitar o aumento da tensão no desligamento. Reinicializar o circuito de amortecimento geralmente impõe um requisito mínimo de tempo em circuitos baseados em GTO.

O tempo mínimo de ativação e desativação é controlado em circuitos do chopper de motor CC usando uma frequência de comutação variável no ciclo de trabalho mais baixo e mais alto. Isso é observável em aplicações de tração em que a frequência aumenta à medida que o motor dá partida, então a frequência permanece constante na maioria das faixas de velocidade e, em seguida, a frequência cai de volta para zero em velocidade total.

Formulários

As principais aplicações são em acionamentos de motores de velocidade variável, inversor de alta potência e tração . Os GTOs estão cada vez mais sendo substituídos por tiristores comutados de porta integrados , que são um desenvolvimento evolutivo do GTO, e transistores bipolares de porta isolada , que são membros da família dos transistores .

Referências

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