Gate turn-off: differenze tra le versioni

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Il '''''gate turn-off''''' ('''GTO''') è un [[Tiristore|diodo controllato (o tiristore)]] che può essere innescato e disinnescato, cioè permettere o bloccare il passaggio della corrente, agendo sull'[[elettrodo]] di ''gate''. Supera quindi la limitazione intrinseca dell'[[Tiristore|SCR]] (tiristore) in cui il flusso di corrente, una volta innescato, può essere interrotto solo da cause esterne (annullamento spontaneo o forzato della corrente).

Il '''Gate Turn Off''' ('''GTO''') è un tipo di [[tiristore]] di potenza. I GTO, a differenza dei normali tiristori ([[SCR]], [[DIAC]], [[TRIAC]]), sono completamente controllabili, cioè possono essere accesi o spenti agendo sull'[[elettrodo]] di GATE.

==Descrizione==

[[File:Tiristor GTO.jpg|frame|Simbolo GTO]]

I normali tiristori ([[SCRTiristore|raddrizzatoritiristori]], noti anche come diodi controllati ino silicio]]SCR (''silicon controlled rectifier'') non sono interruttoridispositivi completamente controllabili (un interruttoredispositivo completamente controllabile può essere acceso e spento a comando). I tiristori possono essere solamentemandati in conduzione (stato ON, ossia "accesi") eapplicando un'opportuna tensione ad un elettrodo di controllo detto ''gate'', ma non possono essere mandati in interdizione (stato OFF, ossia "spenti") per mezzo dello stesso elettrodo. I tiristori sonovengono cioè accesi da un segnale di [[gate]], mae restano nello stato ON anche dopo che il segnale di gate è stato rimosso,. ilPer tiristoreritornare rimane sullonello stato ONOFF finoè anecessario che nonla sicorrente verificache unali condizioneattraversa disi spegnimentoannulli (in pratica che puòla esserecorrente l'applicazionescenda al di unasotto [[Tensionedi elettrica|tensione]]un inversacerto aivalore terminalilimite conosciuto come corrente di mantenimento ''(holding)''). Negli impieghi in corrente alternata, come ad esempio nei ponti raddrizzatori totalmente o unsemi-controllati, flussola condizione di spegnimento si raggiunge in "modo naturale" quando la [[corrente elettrica|corrente]] (correnteche positiva)attraversa il diodo passa per lo zero al termine di sottouna disemi-onda. unNegli certoimpieghi valorein limitecorrente conosciutocontinua comeè correnteinvece dinecessario holding.forzare Quindiin un"modo tiristoreartificiale" sil'annullamento comportadella comecorrente uncon normalel'applicazione di una [[diodoTensione elettrica|tensione]] ainversa semiconduttoreai dopoterminali esseredel stato attivatodiodo. <br />

Quindi un tiristore, dopo essere stato attivato, si comporta come un normale [[diodo]] a semiconduttore.

IlDiversamente dall'SCR, il GTO può essere '''acceso''' (''turn on'' o ''innesco'') e '''spento''' (''turn off'' o ''disinnesco'') portando rispettivamente un segnale positivo o negativo all'elettrodo di gate rispettivamente.

Il '''turn on''' (innesco) è attivato da un impulso di corrente positiva tra i terminali di ''gate'' e di catodo. Quando il ''gate''-catodo si comporta come una [[giunzione p-n]], c'è una tensione relativamente bassa tra i due terminali. L'attivazione di un GTO non è comunque affidabile come in un [[SCR]] ([[tiristore]]) e una piccola tensione di ''gate'' positiva deve essere mantenuta anche dopo l'innesco per migliorarne l'affidabilità.

Il '''turn off''' (disinnesco) è attivato da un impulso di ''tensione negativa'' tra i terminali di ''gate'' e catodo. Parte della corrente positiva (all'incirca da un terzo a un quinto) che viene sottratta è utilizzata per indurre una tensione tra il ''gate'' e il catodo che a sua volta provoca una diminuzione della corrente positiva e il GTO si disattiverà (transendoeffettuando allola transizione dallo stato di 'bloccaggio'conduzione a quello di interdizione).

I tiristoriGTO sono soggetti a lunghi tempi di disinnesco a causa deidel qualifatto che, dopo lail cadutacrollo didella corrente, c'è un lungo intervallo di tempo in cui launa corrente residua continua a fluire fino a che tutta la carica rimanente è eliminata dal dispositivo. Ciò limita la massima [[frequenza]] di [[switch]]lavoro ada approssimativamentecirca {{M|1[[|ul=kHz]]}}. Bisogna comunque notare che il tempo di disinnesco di un SCR comparabile è dieci volte quello di un GTO. Quindi la frequenza di switchinglavoro di un GTO è moltocomunque miglioresuperiore a quella di un SCR di pari caratteristiche.

{| class="wikitable"

|-

! Caratteristiche

! Descrizione

! TiristoreSCR (1600 V, 350 A)

! GTO (1600 V, 350 A)

|-

| V_{T ON}

| Caduta di tensione nello stato ON

| 1.,5 V

| 3.,4 V

|-

| t_on, Ig_on

| Tempo di innesco, corrente di gate

| 28 µs, 200 mA

| 82 µs, 2 A

|-

| t_off

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| 15 µs

|}

{{Citazione necessaria|^{Confronto tra un SCR e un GTO dellodi stellopari livellocaratteristiche.}}}

===Tiristore Gate Turn Off a buffer distribuito (Distributed buffer gate turn-off thyristor)===

Il ''distributed buffer gate turn-off thyristor'' (DB-GTO) è un tiristore che presenta una giunzione PN aggiuntiva nella regione di deriva. La struttura di questo dispositivo risulta quindi composta da giunzioni con [[drogaggio]] PN-PN-PN. Tale tecnologia consente di "riformare" il profilo del campo elettrico ed incrementare la tensione che puo'può essere bloccata nello stato di "spento".

==Bias inverso (Reverse bias)==

I tiristori GTO sono disponibili con o senza la possibilità di bloccaggio in inversa. La capacità di bloccaggio in inversa si aggiunge alla caduta di tensione positiva per la necessità di avere una lunga regione P1 a basso [[drogaggio]].

I tiristori GTO con tensione di bloccaggio inversa sono conosciuti come tiristritiristori GTO simmetrici, in breve S-GTO. Di solito, il livello della tensione di bloccaggio inversa e di quella positiva sono gli stessi. L'applicazione tipica di un tiristore GTO simmetrico è negli [[inverter|invertitoreinvertitori]] dei generatori di corrente.

I tiristori GTO non dotati di tensione inversa di bloccaggio sono conosciuti come tiristori GTO asimmetrici, in breve A-GTO. Tipicamente hanno un livello di breackdownbreakdown inverso nella decina di volt. I tiristori A-GTO sono usati o dove un diodo conducente inverso è applicato in parallelo (per esempio negli invertitori delle sorgenti di tensione) o dove una tensione inversa non si dovrebbe mai verificare (per esempio negli alimentatori di switching o nei circuiti DC [[Chopper (elettronica)|choppers]] per trazione).

I tiristori GTO asimmetrici possono essere fabbricati con un diodo conducente in inversa nello stesso modulo. Questi sono conosciuti come RCGTO, che sta per "reverse conducting GTO".

== Area operativa di sicurezza (Safe Operating Area - SOA)==

Diversamente dal [[IGCT]] ''(Integrated Gate Commutated Thyristor)'' o dall'[[IGBT|]] ''(Insulated gateGate bipolarBipolar transistor]]Transistor)'', il GTO necessita di un circuito esterno per produrregestire le formerampe d'ondadi necessariecorrente all'innesco oe disinnescodi etensione al disinnesco per prevenire la distruzione del dispositivo.

Durante l'innesco ''(turn-on)'' del GTO la velocità di variazione della corrente (espressa dalla sua derivata rispetto al tempo ''di/dt'') deve essere mantenuta al di sotto di un valore limite, dipendente dalle caratteristiche fisiche del dispositivo. In questo modo l'intera massa del GTO può portarsi in conduzione prima che venga raggiunto il valore nominale della corrente di carico. Se, viceversa, il rapporto ''di/dt'' venisse superato, la zona del dispositivo più vicina ai contatti di ''gate'' si surriscalderebbe e fonderebbe a causa di una densità di corrente eccessiva.<br />

Diversamente dal [[IGCT]] o dall'[[IGBT|Insulated gate bipolar transistor]], il GTO necessita di un circuito esterno per produrre le forme d'onda necessarie all'innesco o disinnesco e per prevenire la distruzione del dispositivo.

Il rapporto ''di/dt'' viene generalmente controllato con l'utilizzo di un [[induttore]] a nucleo saturabile inserito in serie al GTO. La presenza dell'induttore impone che l'intervallo di tempo tra lo spegnimento e la successiva riaccensione del GTO debba essere maggiore o uguale a un "tempo minimo di OFF" necessario per smaltire l'energia magnetica accumulata nell'induttore durante la fase di conduzione, riportandolo così nelle condizioni iniziali.

Durante il disinnesco ''(turn-off)'' del GTO la tensione ai suoi capi deve essere limitata fino a quando la corrente si annulla. Il limite viene di solito stabilito intorno al 20% della tensione massima di lavoro del dispositivo. Se la tensione crescesse troppo rapidamente durante il disinnesco, solo una parte del dispositivo si disattiverebbe e i valori elevati di corrente e tensione concentrati in una porzione ridotta dello stesso ne provocherebbero il danneggiamento, spesso in maniera esplosiva.<br />

Durante l'innesco il dispositivo ha un rapporto dI/dt massimo che limita l'aumento della corrente. In questo modo l'intera massa del dispositovo può raggiungere l'innesco prima che sia raggiunta la corrente massima. Se questo rapporto viene superato, l'area del dispositivo più vicina ai contatti di gate si surriscalderà e fonderà a causa della sovracorrente. Il rapporto dI/dt viene di solito controllato con l'utilizzo di un [[reattore saturabile]]. Il reset del reattore saturabile di solito comporta una richiesta di tempo di spegnimento minimo nei circuiti basati su GTO.

L'aumento della tensione al disinnesco viene generalmente controllato con l'utilizzo di un soppressore di transiente ''([[snubber]])'' inserito in parallelo al GTO. La presenza dello ''snubber'' impone che l'intervallo di tempo tra l'accensione e il successivo spegnimento del GTO debba essere maggiore o uguale a un "tempo minimo di ON" necessario per smaltire l'energia accumulata nel soppressore durante la fase di interdizione, riportandolo così nelle condizioni iniziali.

Negli azionamenti di [[motore in corrente continua|motori in corrente continua]] mediante ''[[Chopper (elettrotecnica)|chopper]]'' le limitazioni imposte dai tempi minimi di accensione e spegnimento vengono superate variando la frequenza di commutazione nelle condizioni estreme di ''[[duty cycle]]''. <br />

Durante lo spegnimento la tensione positiva del dispositivo deve essere limitata fino a che la corrente non si annulli. Il limiti è di solito intorno al 20% del tasso di tensione bloccante. Se la tensione aumenta troppo velocemente durante il disinnesco, non tutto il dispositivo si disattiverà e il GTO si danneggierà, spesso in maniera eslposiva, a causa dell'alta tensione e della corrente concentrata in una piccola porzione del dispositivo. Dei circuiti [[snubber]] vengono inseriti intorno al dispositivo per limitare l'aumento di tensione al disinnesco. Il reset dei circuiti snubber di solito comporta una richiesta di tempo di spegnimento minimo nei circuiti basati su GTO.

Nelle applicazioni di [[trazione ferroviaria]], ad esempio, la velocità del motore viene normalmente regolata mantenendo fissa ad un certo valore nominale la frequenza di commutazione sulla maggior parte del campo di velocità ed agendo sul valore del ''duty cycle'' (al crescere del ''duty cycle'' corrisponde un aumento progressivo del valore medio della tensione e dunque una maggiore velocità di rotazione del motore). <br />

All'avviamento, dato che il ''duty cycle'' non può scendere sotto un valore minimo imposto dal "tempo minimo di ON", la regolazione del regime di rotazione deve essere ottenuta variando il valore della frequenza di commutazione, che verrà fatta salire progressivamente da zero fino a raggiungere il valore nominale.<br />

Il tempo minimo di accensione e spegnimento viene manipolato in un circuito di motore chopper in continua usando una frequenza di switching variabile sul [[duty cycle]] più alto e più basso. Questo è osservabile nelle applicazione di trazione dove la frequenza aumenterà quando il motore viene avviato, quindi rimarrà costante sulla maggior parte dei range di frequenza, infine diminuirà fino a zero alla massima velocità.

Agli alti regimi di rotazione, dato che il ''duty cycle'' non può salire sopra un valore massimo imposto dal "tempo minimo di OFF", la regolazione del regime di rotazione deve essere ottenuta variando il valore della frequenza di commutazione, che verrà fatta scendere progressivamente dal valore nominale fino a zero, applicando così la piena tensione di linea al motore.

==Applicazioni==

Il GTO trova applicazione nei seguenti campi:

*''[[InverterChopper (elettrotecnica)|Chopper]]'' di potenza.

*''[[Inverter]]'' di potenza.

*[[Drives]] per la variazione della velocità di motori elettrici

*''[[Azionamento elettrico|Azionamenti]]'' di motori elettrici.

==Bibliografia==

* Shah, P.B. Electronics Letters, vol. 36, p. 2108, (2000).

* Shah, P.B., Geil, B.R., Ervin, M.E. et.al. IEEE Trans. Power Elect., vol. 17, p. 1073, (2002).

== Voci correlate ==

* [[IGCT]]

* [[IGBT|Insulated gate bipolar transistor]]

* [[Frazionatore elettronico]]

== Altri progetti ==

==Bibiliografia==

{{interprogetto}}

* Shah, P.B. Electronics Letters, vol. 36, p. 2108, (2000).

* Shah, P.B., Geil, B.R., Ervin, M.E. et.al. IEEE Trans. Power Elect., vol. 17, p. 1073, (2002).

[[Categoria:Dispositivi a semiconduttore]]

[[Categoria:Elettronica di potenza]]

[[cs:GTO tyristor]]

[[de:GTO-Thyristor]]

[[en:Gate turn-off thyristor]]

[[es:Tiristor GTO]]

[[fr:Thyristor GTO]]

[[ja:ゲートターンオフサイリスタ]]

[[ko:게이트 턴 오프 사이리스터]]

[[nl:Gate turn-off thyristor]]

[[zh:可關斷晶閘管]]