GTO(Gate Turn-off Thyristor)

가. 개요

GTO는 게이트전류의 흐르는 방향에 따라 Turn-on  및 Turn-off 될 수 있는 자기소호형 소자이다.
GTO 사이리스터는 자기소호능력을 갖는 고 내압용 소자로서 80년대 초기 2.5KV/0.8A 소자의 개발이래 최근 6KV/6A용이 개발되어 전기차량 및 대용량 산업용 인버터에 널리 사용되고 있다. 이러한 인버터는 종래 수백㎐에서 동작하였지만 장치의 소형화/저소음화를 위해 동작주파수룰 높이는 것이 바람직하나 이때 TURN-OFF 시간의 단축 및 스위칭 손실이 새로운 문제로 대두되고 있다. 

나. GTO의 구조 및동작

1. 구조

2. 동작

그림 c에서 역포화 전류를 무시하면 에노드전류가 IA일 때 트랜지스터 Tr1에서 트랜지스터 Tr2에 공급하는 base전류 IB2는 역포화전류를 무시하면



이고 GTO가 턴 온을 유지하기 위한 Tr2의 Emitter에 흘려야 할 최소의 전류를 Ik라 하면 이 Ik의 크기를 유지하도록 흘려애 할 Tr2의 베이스 전류 IB2`는 역포화전류를 무시하면



따라서 턴온 상태를 유지하려면 IB2>IB2' 이어야 하며, 반대로 턴오프시키려면 IB2<IB2'로 되어야 한다. 따라서 턴오프 시키기 위한 게이트 전류 IG는 식 (1),(2)로부터



이때 게이트 턴오프 이득 Goff는



그러므로 α1<α2 일수록 Goff가 크다.  따라서 이미터 단락구조로 하는 것이 효율이 높다.

나. GTO의 특성

1. Turn-off 특성

턴온 타임은 SCR과 같으나 다음 사항을 유념하도록 한다.

• 게이트 턴온 전류가 크다. 게이트 전류가 작으면 턴온타임이 길어지고 또 전류의 집중현상으로 소자가 파괴될 염려가 있으므로 high gate drive를 실시한다.
  
• 온상태에서도 작은 게이트전류를 계속흘려서 온전압을 낮춘다.
• 오프기간중에는 소자를 역바이어스 하는 경우가 많다.

2. Turn-off 특성

ts : 축적시간(storage time) tf : 하강시간(fail time) ts : -0.1IG가 흐를 때부터 PB층의 과잉 carier가 제거되어 J2 접합에 공핍층이 형성될 때까지의 시간 tf : J2 공핍층이 형성된 뒤부터 J3 접합이 회복될 때까지의 시간 ttt(taile time) : J3 접합이 회복된 뒤부터(NB의 잔류 캐이러에 의한 전류가 약간 흐르지만) J1 접합이 회복될 때까지의 시간 Vs : spike 전압 : 소자가 파괴될 우려가 있는 전압 스위칭시간이 SCR에 비해서 매우 짧다(수㎲~수10㎲)

 

3. GTO의 게이트회로 구성

• Turn-on 게이트회로 : SCR과 같다.
• Turn-off 회로
  - dig/dt 가 클 것
  - IG를 IA/Goff 이상으로 할 것
  - 게이트 턴 오프 전하가 GTO 축적 캐리어보다 클 것

4. 양극전류 IA와 턴오프타임 및 턴오프 이득

• IA 가 크면 ts가 증가하므로 toff가 증가하고
• IA 가 증가하면 Goff 가 증가(식4 참고)한다. (예 400A 시 5, 5900A시 7 정도)

5. Snubber 회로의 목적

• IA를 분류시켜 양극전류의 차단능력을 향상시키고, 또한 국부적 전류의 집중에 의한 소자의 파괴를 막는다.
• 소자에 걸리는 dv/dt를 감소시켜 전류(commutation) 실패를 막는다.

6. Spike 전압의 발생원인과 대책

• 발생원인
  -  snubber 회로의 배선 인덕턴스에 의한 L·dv/dt의 발생
  -  snubber 회로에 있는 다이오드의 상승특성이 낮으므로
  -  snubber 회로내에 콘덴서에 의한 충전전압 때문이다.
• 방지대책
  snubber 회로안의 L을 감소시키고, 상승특성이 좋은 다이오드를 사용하고, 또한 콘덴서의 용량을 적당히 크게한다.