GTO türistor on kõrge võimsusega lüliti, mida saab sisse ja välja lülitada värava abil. Kui see on sisse lülitatud, voolab vool anoodist katoodile. Erinevalt SCR-ist saab GTO-d VÄLJA lülitada negatiivse väravavooluga, mis vähendab vajadust täiendavate kommutatsiooniosade järele. See artikkel annab teavet põhitõdede, tüüpide, väravaajami, lülitite ja kaitse kohta.
GTO türistori alused
Mis on GTO türistor?
Värava väljalülitamise türistor (GTO) on türistoritüüpi toitelüliti, mida saab sisse ja välja lülitada värava klemmi kaudu. Kui see on sisse lülitatud, juhib see voolu ühes suunas anoodist (A) katoodile (K). Erinevalt tavalistest türistoritest saab GTO-d välja lülitada värava signaaliga, vähendades vajadust väliste kommutatsiooniahelate järele. Seda kasutatakse rakendustes, kus on vaja suurt voolu- ja pingekäsitlust.
GTO vs SCR vooluringi kontrollis
Funktsioonide võrdlustabel
| Funktsioon | SCR (tavapärane türistor) | GTO Türistor |
|---|---|---|
| Lülita sisse | Värava impulss | Värava impulss |
| Lülita VÄLJA | Vajab kommuteerimist või voolu sunnimist alla hoidva voolu | Negatiivne värava vool lülitab selle VÄLJA |
| Juhtimistase | Pooljuhitud | Täielikult juhitud (värava juhid SISSE ja VÄLJA) |
| Ahela mõju | Sageli on vaja täiendavaid kommutatsiooniosi | Vähem sõltuvust kommutatsioonist, kuid tugev väravamootor on vajalik |
Kommutatsiooni mõju tegelikes konverterites
SCR jätkab juhtimist pärast sisselülitamist, kuni vooluring sunnib voolu alla hoidmistaseme. Seetõttu vajavad paljud SCR-skeemid seadme väljalülitamiseks täiendavaid kommutatsioonikomponente või spetsiifilist skeemi ajastust. See võib muuta konverteri suuremaks ja keerukamaks.
GTO-le saab käsu anda värava kaudu VÄLJA lülitada, nii et vooluring ei vaja alati samu kommutatsioonivõrke. GTO väljalülitamine ei ole tasuta. Väravajuht peab väljalülitamiseks andma kõrge tipu värava voolu ning ajastust tuleb hoolikalt kontrollida, et vältida seadme pinget.
GTO sisemine ülesehitus
PNPN-i struktuur ja ühenduskäitumine
Sisemuses on GTO ehitatud neljakihilise PNPN seadmena, millel on kolm ühenduskohta (J1, J2 ja J3), mis sarnaneb SCR-ile. Kui väravale rakendatakse sisselülitussignaal, hakkab seade juhtima ja seejärel lukustub sisse, mis tähendab, et see võib jääda sisse ka pärast väravasignaali eemaldamist, seni kuni vool jätkub edasisuunas.
Erinevus on selles, et GTO on tehtud nii, et värav aitab seda ka VÄLJA lülitada. Väljalülitamisel juhitakse väravat, et eemaldada seadmest laengukandjad. Vähemate laengukandjate olemasolul nõrgeneb sisemine mehhanism, mis hoiab GTO kinni, ja juhtivus võib peatuda.
Mobiilside disain ja voolu jagamine
Enamik GTO-sid ei ole tehtud ühe suure lülituspiirkonnana. Selle asemel kasutavad nad rakulist struktuuri, mis tähendab, et kiip on jagatud paljudeks väikesteks türistorirakkudeks, mis on paralleelselt ühendatud. See paigutus aitab voolul ühtlasemalt üle seadme jaotada, mitte koonduda ühte kohta.
Kui vool jaguneb ühtlasemalt, on lülitus stabiilsem ja seadmel on vähem tõenäoline, et väikesed alad kuumenevad palju rohkem kui teised. See toetab sujuvamat sisse- ja väljalülitamist suurte voolude käsitlemisel.
GTO tööseisundid konverterites
Eesliini blokeerimise olek
Edasi blokeerivas olekus on GTO VÄLJAS, kuid sellele rakendatakse edasi pinge. Seade hoiab seda pinget tagasi, nii et primaarvool ei liigu. Ainult väike lekkevool võib seadmest läbi minna, kui see blokeerib, mis on normaalne. Peamised punktid: blokeerib edasi pinge VÄLJAS ja voolab ainult lekkevool.
Edasijuhtivuse olek
Edasise juhtivuse olekus on GTO SISSE lülitatud ja kannab peamise koormusvoolu anoodist katoodile. Seadme pinge muutub palju madalamaks kui blokeerimisolekus, kuid see ei lange nulli. See allesjäänud pinge on seesoleku langus ja põhjustab juhtivuse kadu, kui GTO kannab voolu.
Vastupidine käitumine
Vastupidine käitumine sõltub seadme tüübist. Sümmeetriline GTO suudab blokeerida pinget mõlemas suunas, seega suudab ta tagurpidi blokeerimist ilma lisateerajata. Asümmeetriline GTO on mõeldud edasipinge blokeerimiseks, seega tagasivoolu haldab antiparalleeldiood, mis on ühendatud üle seadme.
Värava juhtimine ja lülituskäitumine GTO-s
Gate Control Põhitõed: +Ig ON, −Ig OFF jaoks
GTO värav on voolujuhitav, mitte pingepõhine. Seadme sisselülitamiseks rakendatakse väravalt (G) katoodile (K) positiivne väravavool. See käivitab juhtivuse PNPN-struktuuris ja seade saab kinnituda ON-olekusse.
Seadme VÄLJALÜLITAMISEKS rakendatakse negatiivne värava vool. See negatiivne vool aitab laengukandjaid seadmest välja tõmmata, peatades seeläbi juhtivuse. Väljalülitamine ei toimu väikese signaaliga. See vajab lühiajaliselt suurt negatiivse värava tippvoolu, et seade juhtivusest välja suruda.
Sisselülitamise protsess: voolu levik ja di/dt kontroll
Kui GTO hakkab sisse lülituma, algab juhtivus värava piirkonnast ja levib seejärel üle kogu seadme. Kui vool tõuseb liiga kiiresti, võivad esimesed juhtivad alad kanda liiga palju voolu enne, kui ülejäänud kiip täielikult sisse lülitub. See võib põhjustada ebaühtlast soojenemist ja pinget, mistõttu on voolu tõusu kiirus (di/dt) sageli kontrollitud.
Voolu tõusu aeglustamiseks võib kasutada jadamisi induktiivsust või küllastuvat reaktorit. Värava voolu saab kujundada nii, et sisselülitus leviks seadmes sujuvamalt. Madala induktiivsusega võimsustee aitab vähendada soovimatuid tõuse ja toetab ühtlasemat vooluvoogu lülitusülemineku ajal.
Väljalülitamise protsess: kandja eemaldamine ja saba vool
GTO väljalülitamine kasutab negatiivset värava voolu, et eemaldada seadmes olevad laengukandjad. Isegi pärast väljalülitamise käsu rakendamist ei pruugi vool kohe nulli langeda. Paljudel GTO-del on sabavool, kus väiksem vool püsib lühikest aega, kui allesjäänud laeng hajub. See saba vool suurendab lülituskaotusi ja mõjutab väljalülitamisel vajalikku pingekontrolli.
Väljalülituskadu suureneb, sest vool võib olla olemas, kui seadme pinge tõuseb. DV/DT stress võib sellel perioodil olla ka kõrgem. Kuna sabavoolu kadumine võtab aega, piirab see, kui kiiresti seade saab korduvalt lülituda.
Lülitamise sageduspiirid
GTO-d on piiratud madala kHz lülitusega, sõltuvalt seadme reitingust ja vooluringi tingimustest. Laengu salvestamine ja saba vool suurendavad lülituskaotusi, seega määratakse sagedus sageli soojuse ja kadude piiride järgi, mitte ainult juhtimiskiiruse järgi.
GTO elektriline käitumine
V–I kõver: Lukustus- ja blokeerimispiirkond
GTO käitub väga sarnaselt tavapärasele türistorile, kui vaadata selle pinge-voolu (V–I) kõverat. VÄLJALÜLITATUD olekus saab see blokeerida edasi pinge ja voolab vaid väike lekkevool. Kui see käivitatakse SISSE, läheb see juhtivusse ja vool suureneb, samal ajal kui pinge seadmel langeb palju madalamale.
Pärast sisselülitamist jätkab GTO juhtimist seni, kuni peamine vool püsib selle hoidmistasemest kõrgemal. Erinevalt SCR-ist saab GTO-d blokeerimisolekusse tagasi lükata, rakendades negatiivset väravavoolu. Sellel väljalülitustoimingul on piirid, kuna seade vajab piisavat negatiivset värava voolu ja sobivaid tingimusi, et juhtivus ohutult peatada.
Juhtivuskadu alused
| Parameeter | Mida see sulle ütleb? | Miks see oluline on? |
|---|---|---|
| Olekus pingelangus (V_ON) | Pinge üle seadme sisselülitatuna | Kõrgem V_ON tähendab rohkem soojust |
| Koormusvool (I) | Vool läbi seadme | Mida kõrgem mina olen, seda rohkem hajumist |
| Juhtivuse kadu | Umbes V_ON × I | Mõjutab soojuse eemaldamise vajadusi |
Levinumad GTO tüübid ja skeemide mõjud
GTO tüübid
| Tüüp | Tagurpidi blokeerimine | Tüüpiline kasutus |
|---|---|---|
| Sümmeetriline (S-GTO) | Kõrge tagurpidi blokeerimine | Praeguse allika stiilidisainid |
| Asümmeetriline (A-GTO) | Madal tagurpidi blokeerimine | Pingeallika inverterid (dioodiga) |
| Tagurpidi juhtimine (RC-GTO) | Integreeritud diood | Kompaktsed invertermoodulid |
Valikumärkused
• Kui eksisteerib pöördvoolutee, lisa dioodide lahendus, kas väline või integreeritud
• Sobitada vastupidise blokeerimise võime muunduri topoloogia ja oodatava pingesuunaga
• Kaaluda, kas vajalik seadmetüüp on saadaval sobivas pakendis või moodulis vajaliku võimsustaseme jaoks
Väravajuhi vajadused GTO jaoks
Kõrge tipu värava voolu nõuded
GTO värava draiver peab andma voolu mõlemas suunas, sest värava juhtnupud lülituvad sisse ja välja. Sisselülitamiseks annab see tugeva positiivse värava voolu, mis käivitab kiiresti juhtivuse ja aitab seadmel ühtlaselt sisse lülituda. Väljalülitamiseks annab see tugeva negatiivse värava voolu, et tõmmata laengu kandjad seadmest välja ja peatada voolu.
Impulsi ajastus ja pikkus on olulised, sest seade vajab piisavalt väravavoolu piisavalt kauaks, et lülitustegevus lõpule viia. Kui väljalülitusimpulss on liiga nõrk või lühike, ei pruugi seade täielikult välja lülituda, jättes selle pingelisse ja ebastabiilsesse seisundisse.
Madala induktantsusega paigutus ja impulsside kujundamine
Madal induktiivsus värava teel on põhiline, sest induktiivsus vastandub kiiretele voolumuutustele. Kui ahela induktiivsus on kõrge, muutuvad värava voolu üleminekud aeglasemaks, mis põhjustab soovimatuid pingetõuse. See võib põhjustada ebaühtlast lülitust ja kohalikku kütet sisse- või väljalülitamisel. Tihe ja madala induktiivsusega paigutus aitab väravaimpulssidel seadmeni puhtalt jõuda ning impulsside kujundamine võib voolu tõusu ja langust veelgi sujuvamaks muuta.
GTO-de kaitse ja ohutu vahetus
| Risk | Mis juhtub | Lahendus |
|---|---|---|
| Kõrge DI/DT sisselülitamisel | Vool võib kitsastesse piirkondadesse tungida ja põhjustada ülekuumenemist | Seeriainduktiivsus, värava kujundamine |
| Kõrge DV/DT väljalülitamisel | Pingetõusud võivad tekkida, kui saba vool veel voolab | RC snubber, klambrivõrgud |
| SOA rikkumine | Kombineeritud vool, pinge ja ajapinge ületab seadme piire | Koordineeritud värava ajamine ja kaitse |
Juhend GTO-de kasutamiseks
GTO-de eelised ja puudused
| Eelised | Puudused |
|---|---|
| Värava juhitav väljalülitamine vähendab kommutatsioonisõltuvust | Suur väravavool on vajalik, eriti väljalülitamiseks |
| Käsitleb väga kõrget pinget ja voolu | Sabavool suurendab kaotusi ja piirab lülitussagedust |
| Väljakujunenud jõudlus kõrge võimsusega teisenduses | Kaitsevõrgud lisavad skeemide keerukust |
Rakendused, kuhu GTO-d sobivad
• Veojõu- ja raudteesõidud
• Rasketööstuslikud mootorimootorid
• Suure võimsusega inverterid ja kopterid
Kaasaegsed alternatiivid
| Seade | Miks seda kasutatakse? | Eelis võrreldes GTO-ga |
|---|---|---|
| IGCT | Kõrge võimsusega lülitus türistorite perekonnas | Kiirem ja tõhusam väljalülitamine |
| IGBT | Levinud valik paljude inverterite disainide jaoks | Pingega juhitav värav ja kõrgem lülitussagedus |
Kokkuvõte
GTO-d taluvad väga kõrget pinget ja voolu, kuid nende kuju muunduri disain on piiratud. Sisselülitamine peab kontrollima DI/dt-d, et vool leviks ühtlaselt. Väljalülituseks on vaja suurt negatiivset värava impulssi ning saba vool suurendab kadu ja dv/dt pinget, mis hoiab lülitumist madalal kHz vahemikus. Vastupidine käitumine sõltub tüübist: sümmeetrilised plokid mõlemas suunas, asümmeetrilised nõuavad antiparalleelset dioodi ning RC-GTO sisaldab dioodi pöördvoolu jaoks.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Milline värava pinge juhib GTO-d?
Piisavalt pinget, et sundida vajalikku värava voolu (+Ig ja −Ig).
Kuidas kinnitada, et GTO on sisse lülitatud?
Anood-katoodpinge on madal, kui vool on põhivool.
Kuidas kinnitada, et GTO on VÄLJAS?
Primaarvool on peaaegu null, kui seade hoiab blokeerivat pinget.
Miks hoida värava edu lühikesena?
Induktiivsuse ja helisemise vähendamiseks hoia värava pulss puhtana.
Mis on väljalülitamise uuesti käivitamine?
GTO lülitub uuesti sisse pärast väljalülitamiskäsku kõrge DV/DT või värava müra tõttu.
Mis seab praktilise lülitussageduse piiri?
Soojuspiir juhtivuse ja väljalülituskadude tõttu, saba voolu kadu.
