GTO tiristor je prekidač velike snage koji se može uključiti i isključiti pomoću kapije. Kada je uključen, struja teče od anode do katode. Za razliku od SCR-a, GTO se može isključiti negativnom strujom kapije, smanjujući potrebu za dodatnim delovima za zamenu. Ovaj članak pruža informacije o osnovama, tipovima, pogonu kapije, prebacivanju i zaštiti.
Osnove GTO tiristora
Šta je GTO tiristor?
Tiristor za isključivanje kapije (GTO) je prekidač za napajanje tipa tiristora koji se može uključiti i isključiti preko terminala kapije. Kada je uključen, sprovodi struju u jednom pravcu od anode (A) do katode (K). Za razliku od standardnih tiristora, GTO se može isključiti signalom kapije, smanjujući potrebu za spoljnim komutacionim krugovima. Koristi se u aplikacijama koje zahtevaju rukovanje visokom strujom i naponom.
GTO vs SCR u kontroli kola
Tabela upoređivanja karakteristika
| Odlika | SCR (konvencionalni tiristor) | GTO Tiristor |
|---|---|---|
| Uključi | Kapija puls | Kapija puls |
| Isključi | Potrebna je zamena ili struja primorana ispod zadržavanja struje | Negativna struja kapije ga isključuje |
| Nivo kontrole | Polukontrolisano | Potpuno kontrolisana (kapija kontrole ON i OFF) |
| Uticaj kola | Često su potrebni dodatni delovi za zamenu | Manja zavisnost od zamene, ali je potreban jak pogon vrata |
Uticaj zamene u stvarnim pretvaračima
SCR nastavlja da sprovodi nakon što je uključen dok kolo prisiljava struju ispod nivoa držanja. Zbog toga, mnogi SCR kola zahtevaju dodatne komutacione komponente ili specifično vreme kola za isključivanje uređaja. Ovo može učiniti konvertor većim i složenijim.
GTO-u se može narediti da se isključi kroz kapiju, tako da kolo ne treba uvek iste mreže za zamenu. Isključivanje GTO-a nije besplatno. Vozač kapije mora da isporuči struju kapije sa visokim vrhom za isključivanje, a tajming mora biti pažljivo kontrolisan kako bi se izbeglo opterećenje uređaja.
Unutrašnja konstrukcija GTO-a
PNPN struktura i ponašanje spoja
Unutra, GTO je izgrađen kao četvoroslojni PNPN uređaj sa tri spoja (J1, J2 i J3), slično SCR-u. Kada se na kapiji primenjuje signal za uključivanje, uređaj počinje da sprovodi, a zatim se zaključava, što znači da može ostati uključen čak i nakon što se ukloni signal kapije, sve dok struja nastavlja da teče u smeru napred.
Razlika je u tome što je GTO napravljen tako da kapija može pomoći da se isključi. Tokom isključivanja, kapija se pokreće da ukloni nosače punjenja sa uređaja. Sa manje nosača punjenja na raspolaganju, unutrašnji mehanizam koji drži GTO zaključan slabi, a provodljivost može da se zaustavi.
Ćelijski dizajn i deljenje struje
Većina GTO-a nije napravljena kao jedna velika preklopna površina. Umesto toga, oni koriste ćelijsku strukturu, što znači da je čip podeljen na mnogo malih tiristorskih ćelija povezanih paralelno. Ovaj raspored pomaže da se struja ravnomernije širi preko uređaja, umesto da se koncentriše na jednom mestu.
Kada se struja deli ravnomernije, prebacivanje je stabilnije, a uređaj je manje verovatno da će imati male površine koje se zagrevaju mnogo više od drugih. Ovo podržava glatko uključivanje i isključivanje prilikom rukovanja velikim strujama.
GTO radna stanja u konvertorima
Prosleđivanje blokiranja države
U stanju blokiranja napred, GTO je isključen, ali napredni napon se primenjuje preko njega. Uređaj zadržava taj napon, tako da primarna struja ne teče. Samo mala struja curenja može proći kroz uređaj kada se blokira, što je normalno. Glavne tačke: Blokira napred napon dok je isključen, a teče samo struja curenja.
Stanje napredne provodljivosti
U napred provodljivosti stanju, GTO je uključen i nosi glavnu struju opterećenja od anode do katode. Napon preko uređaja postaje mnogo niži nego u stanju blokiranja, ali ne pada na nulu. Ovaj preostali napon je pad na stanju, i izaziva gubitak provodljivosti dok GTO nosi struju.
Obrnuto ponašanje
Obrnuto ponašanje zavisi od tipa uređaja. Simetrični GTO može blokirati napon u oba smera, tako da može da obradi obrnuto blokiranje bez dodatnog putanje. Asimetrični GTO ima za cilj da blokira napredni napon, tako da se obrnuta struja bavi anti-paralelnom diodom povezanom preko uređaja.
KSNUMKS. Kontrola kapije i ponašanje prebacivanja u GTO
KSNUMKS Osnove kontrole kapije: + Ig za ON, -Ig za OFF
GTO kapija je vođena strujom, a ne naponom. Da biste uključili uređaj, pozitivna struja kapije se primenjuje od kapije (G) do katode (K). Ovo počinje provodljivost unutar PNPN strukture, a uređaj može da se zakači u ON stanje.
Da biste isključili uređaj, primenjuje se negativna struja kapije. Ova negativna struja pomaže izvući nosače naboja iz uređaja, čime se zaustavlja provodljivost. Isključivanje se ne vrši sa malim signalom. Potrebna je velika maksimalna negativna struja kapije za kratko vreme da bi se uređaj izbacio iz provodljivosti.
Proces uključivanja: Širenje struje i di / dt kontrola
Kada GTO počne da se uključuje, provodljivost počinje u blizini područja kapije, a zatim se širi preko ostatka uređaja. Ako struja raste prebrzo, prva područja provođenja mogu nositi previše struje pre nego što se ostatak čipa potpuno uključi. Ovo može izazvati neravnomerno zagrevanje i stres, tako da se često kontroliše stopa porasta struje (di / dt).
Serijska induktivnost ili zasićeni reaktor može se koristiti za usporavanje trenutnog porasta. Struja kapije takođe može biti oblikovana tako da omogući uključivanje da se glatko širi preko uređaja. Put napajanja niske induktivnosti pomaže u smanjenju neželjenih šiljaka i podržava ravnomerniji protok struje tokom tranzicije prebacivanja.
Proces isključivanja: Vađenje nosača i repna struja
Isključivanje GTO koristi negativnu struju kapije za uklanjanje nosača punjenja koji se nalaze unutar uređaja. Čak i nakon što se primeni komanda za isključivanje, struja možda neće odmah pasti na nulu. Mnogi GTO pokazuju repnu struju, u kojoj manja struja traje kratko vreme dok se preostali naboj čisti. Ova repna struja povećava gubitke prebacivanja i utiče na kontrolu napona koja je potrebna tokom isključivanja.
Gubitak isključenja raste jer struja i dalje može biti prisutna dok se napon uređaja povećava. DV / DT stres takođe može biti veći tokom ovog perioda. Jer rep struje potrebno vreme da nestane, ograničava koliko brzo uređaj može da se prebaci više puta.
Prebacivanje ograničenja frekvencije
GTO su ograničeni na prebacivanje niskog kHz-a, u zavisnosti od rejtinga uređaja i uslova kola. Skladištenje punjenja i repna struja povećavaju gubitke prebacivanja, tako da je frekvencija često postavljena granicama toplote i gubitaka, a ne samo brzinom kontrole.
Električno ponašanje GTO-a
V–I Curve: Latching and Blocking Region
GTO se ponaša slično kao standardni tiristor kada pogledate njegov napon-struja (V-I) kriva. U OFF stanju, može da blokira napred napon, a samo mala struja curenja teče. Kada se aktivira ON, ulazi u provodljivost, a struja se povećava dok napon preko uređaja pada na mnogo niži nivo.
Nakon što se zakači, GTO će nastaviti da sprovodi sve dok glavna struja ostane iznad nivoa držanja. Za razliku od SCR-a, GTO se može gurnuti nazad prema stanju blokiranja primenom negativne struje kapije. Ova akcija isključivanja ima ograničenja, jer je uređaju potrebno dovoljno negativne struje i odgovarajućih uslova da bi se bezbedno zaustavila provodljivost.
Osnove gubitka provodljivosti
| Parametar | Šta vam to govori? | Zašto je to važno? |
|---|---|---|
| Pad napona u stanju (V_ON) | Napon preko uređaja dok je uključen | Viši V_ON znači više toplote |
| Struja opterećenja (I) | Struja kroz uređaj | Što sam viši, to je više rasipanja |
| Gubitak provodljivosti | Cca. V_ON × I | Utiče na potrebe za uklanjanjem toplote |
KSNUMKS. Uobičajeni tipovi GTO i efekti kola
GTO Tipovi
| Tip | Obrnuto blokiranje | Tipična upotreba |
|---|---|---|
| Simetrični (S-GTO) | Visoko obrnuto blokiranje | Dizajn stila trenutnog izvora |
| Asimetrično (A-GTO) | Nisko obrnuto blokiranje | Pretvarači napona (sa diodom) |
| Obrnuto provođenje (RC-GTO) | Integrisana dioda | Kompaktni inverterski moduli |
Napomene o izboru
• Ako postoji put obrnute struje, uključite rešenje diode, bilo eksterno ili integrisano
• Uskladite sposobnost obrnutog blokiranja sa topologijom pretvarača i očekivanim pravcem napona
• Razmotrite da li je potreban tip uređaja dostupan u odgovarajućem paketu ili modulu za potreban nivo snage
KSNUMKS. Potrebe vozača kapije za GTO
High Peak Gate Trenutni zahtevi
Vozač GTO kapije mora da napaja struju u oba smera, jer se kontrole kapije uključuju i isključuju. Za uključivanje, isporučuje jaku pozitivnu struju kapije za brzo pokretanje provodljivosti i pomoći uređaj uključiti ravnomerno. Za isključivanje, isporučuje jaku negativnu struju kapije da povuče nosače punjenja iz uređaja, zaustavljajući struju.
Vreme impulsa i dužina impulsa su važni jer uređaju treba dovoljno struje vrata dovoljno dugo da završi akciju prebacivanja. Ako je impuls za isključivanje suviše slab ili prekratak, uređaj se možda neće u potpunosti isključiti, ostavljajući ga u stresnom, nestabilnom stanju.
Niska induktivnost Raspored i puls Oblikovanje
Niska induktivnost u putu kapije je osnovna, jer induktivnost suprotstavlja brze promene struje. Ako je induktivnost petlje visoka, prelazi struje vrata postaju sporiji, što dovodi do neželjenih naponskih šiljaka. To može dovesti do neravnomernog prebacivanja i lokalnog grejanja tokom uključivanja ili isključivanja. Čvrsta, niska induktivnost raspored pomaže kapije impulsi dođu do uređaja čisto, a oblikovanje impulsa može dodatno izgladiti trenutni porast i pad.
KSNUMKS. Zaštita i bezbedno prebacivanje za GTO
| Rizik | Šta se dešava | Rešenje |
|---|---|---|
| Visoki di / dt pri uključivanju | Struja može da se gužva u malim prostorima i izazove pregrevanje | Serija induktivnost, oblikovanje vrata |
| Visok dv / dt pri isključivanju | Naponski šiljci mogu se pojaviti dok repna struja još uvek teče | RC snubber, stezaljka mreže |
| SOA kršenje | Kombinovani napon, napon i vremenski stres prelazi granice uređaja | Koordinirani pogon i zaštita vrata |
Vodič za korišćenje GTO-a
Prednosti i mane GTO-a
| Prednosti | Nedostaci |
|---|---|
| Gate-kontrolisano isključivanje smanjuje zavisnost od zamene | Potrebna je velika struja vrata, posebno za isključivanje |
| Ručke veoma visokog napona i struje | Tail struja povećava gubitke i ograničava frekvenciju prebacivanja |
| Utvrđene performanse u konverziji velike snage | Zaštitne mreže dodaju složenost kola |
Aplikacije u kojima se GTO-ovi uklapaju
• Vučni i železnički pogoni
• Teški industrijski motorni pogoni
• Inverteri i helikopteri velike snage
Moderne alternative
| Uređaj | Zašto se koristi? | Prednost vs GTO |
|---|---|---|
| IGCT | Prebacivanje velike snage u porodici tiristora | Brže i efikasnije isključivanje |
| IGBT | Zajednički izbor za mnoge inverter dizajna | Naponski pogonjena vrata i veća frekvencija prebacivanja |
Zaključak
GTO rukovanje veoma visokim naponom i strujom, ali njihove granice oblik konvertora dizajn. Uključivanje mora kontrolisati di / dt tako da se struja ravnomerno širi. Skretanje zahteva veliki negativni impuls kapije, a repna struja podiže gubitak i dv / dt stres, koji nastavlja prebacivanje u niskom kHz opsegu. Obrnuto ponašanje zavisi od tipa: simetrični blokovi u oba smera, asimetrični zahteva anti-paralelnu diodu, a RC-GTO uključuje diodu za obrnutu struju.
Često postavljana pitanja [FAK]
Koji napon kapije pokreće GTO?
Dovoljno napona da prisili potrebnu struju kapije (+ Ig i -Ig).
Kako potvrđujete da je GTO uključen?
Napon anode-katode je nizak dok glavna struja teče.
Kako potvrditi da je GTO isključen?
Primarna struja je blizu nule dok uređaj drži napon blokiranja.
Zašto držati kapiju olovo kratko?
Da biste smanjili induktivnost i zvonjavu, držite kapiju puls čist.
Šta je isključivanje ponovnog aktiviranja?
GTO se ponovo uključuje nakon komande za isključivanje zbog visokog dv / dt ili buke kapije.
Šta postavlja praktičnu granicu frekvencije prebacivanja?
Toplotna granica od gubitaka provođenja i isključivanja, gubitak struje repa.
