Gate turn-off
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
I normali tiristori, noti anche come diodi controllati o SCR (Silicon Controlled Rectifier) non sono dispositivi completamente controllabili (un dispositivo completamente controllabile può essere acceso e spento a comando). I tiristori possono essere mandati in conduzione (stato ON, ossia "accesi") applicando 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 vengono cioè accesi da un segnale di gate e restano nello stato ON anche dopo che il segnale di gate è stato rimosso. Per ritornare nello stato OFF è necessario che la corrente che li attraversa si annulli (in pratica che la corrente scenda al di sotto di un certo valore limite conosciuto come corrente di holding). Negli impieghi in corrente alternata, come ad esempio nei ponti raddrizzatori controllati o semi-controllati, la condizione dei spegnimento si raggiunge in "modo naturale" quando la corrente che attraversa il diodo passa per lo zero al termine di una semi-onda. Negli impieghi in corrente continua è invece necessario forzare in "modo artificiale" l'annullamento della corrente con l'applicazione di una tensione inversa ai terminali del diodo.
Quindi un tiristore, dopo essere stato attivato, si comporta come un normale diodo a semiconduttore.
Diversamente 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.
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 un impulso di tensione negativa tra i terminali di gate e catodo. Parte della corrente positiva (all'incirca da un terzo a un quinto) 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 (effettuando la transizione dallo stato di conduzione a quello di interdizione).
Gli SCR sono soggetti a lunghi tempi di disinnesco a causa dei quali, dopo la caduta di corrente, c'è un lungo intervallo di tempo in cui la corrente residua continua a fluire fino a che tutta la carica rimanente è eliminata dal dispositivo. Ciò limita la massima frequenza di commutazione approssimativamente ad 1kHz. Bisogna comunque notare che il tempo di disinnesco di un SCR comparabile è dieci volte quello di un GTO. Quindi la frequenza di commutazione di un GTO è superiore di circa un ordine di grandezza a quella di un SCR di pari caratteristiche.
| Caratteristiche | Descrizione | SCR (1600 V, 350 A) | GTO (1600 V, 350 A) |
|---|---|---|---|
| VT ON | Caduta di tensione nello stato ON | 1,5 V | 3,4 V |
| ton, Igon | Tempo di innesco, corrente di gate | 2 µs, 200 mA | 8 µs, 2 A |
| toff | Tempo di disinnesco | 150 µs | 15 µs |
Confronto tra un SCR e un GTO di pari caratteristiche.
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 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 tiristri 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 invertitore 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 breackdown 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 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 o dall'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.
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.
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.
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.
Applicazioni
Il GTO trova applicazione nei seguenti campi:
Voci correlate
Bibiliografia
- 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).