تریستور GTO – تریستور خاموش‌شونده با گیت

تریستور GTO چیست ؟ تریستور GTO ( مخفف عبارت Gate Turn-Off) نوع به‌خصوصی از تریستور است که بر مبنای همان تکنولوژی تریستورهای ساده ساخته می‌شود اما ویژگی متمایز کننده آن قابلیت خاموش شدن از طریق پایه‌ی گیت است.

در واقع این تریستور نوعی از خانواده تریستور‌های استاندارد شده‌ – که می‌توانند به کمک گیت روشن شوند- است و به علاوه‌ی آن دارای امکان خاموش شدن از طریق گیت نیز می‌باشد.

GTO هم‌چنین مزایای دیگری نیز نسبت به سایر انواع استاندارد شده دارد که به همین واسطه، استفاده از آن در برخی از کاربردها بر سایر انواع رجحان پیدا می‌کند و هرچند که در مجموع کاربرد‌های این نوع تریستور از بقیه محدود تر است، اما در موارد تخصصی‌ای کاربرد دارد که بقیه انواع در آن‌ها ناکارآمد هستند. از جمله این موارد می‌توان به کاربرد در درایور موتور های سرعت متغیر، مدارات توان بالا، اینورترها و … اشاره کرد.

نکته‌ی جالبی که در مورد آن‌ها وجود دارد این است که علی‌رغم این‌که در مقایسه با انواع دیگر تریستورهای استاندارد ، کمتر شناخته شده هستند، اما با این‌حال به خوبی جای خود را در دنیای الکترونیک و در میان علاقه‌مندان باز کرده‌اند چرا که موارد متعددی از معایب تریستورهای معمولی در آن‌ها مرتفع شده است. در نتیجه امروزه در اغلب مبدل های DC به AC یا DC به DC ولتاژ بالا، ردپایی از حضور تریستورهای GTO مشاهده می‌شود.

گفتیم که GTO هر دو قابلیت روشن و خاموش شدن از طریق اعمال سیگنال به پایه‌ی گیت را دارد. برای خاموش شدن کافی‌ست یک سیگنال با پلاریته منفی به گیت اعمال کنیم و این ویژگی منحصر به فردی است که این گونه از تریستور داراست.

برای روشن شدن هم باید یک پالس جریان مثبت بین دو ترمینال گیت و کاتد اعمال شود. ( مسیر گیت – کاتد مشابه یک پیوند P-N رفتار می‌کند. )

اما مسئله‌ای که وجود دارد این است که پروسه روشن شدن در GTO، به اندازه‌ی بقیه تریستورهای استاندارد  قابل‌اطمینان نیست و ممکن است برداشتن ناگهانی پالس جریان مثبت از روی گیت به منزله‌ی سیگنال منفی تلقی شده و GTO مجددا خاموش شود. لذا لازم است مدت کوتاهی بعد از روشن شدن تریستور نیز جریان مثبت اندکی هم‌چنان اعمال شود تا تریستور به مرحله‌ی پایداری برسد و پس از آن جریان را اندک اندک صفر کرد.

ساختار تریستور GTO

مانند تریستور استاندارد، GTO نیز ‌قطعه‌ای با ساختمان چهار لایه است که سه پیوند در آن وجود دارد. ترتیب لایه‌ها نیز به همان شکل PNPN است که بیرونی ترین لایه P آنود را تشکیل می‌دهد و بیرونی‌ترین لایه N کاتد را.

برای افزایش بهره‌وری امیتر، لایه کاتد بشدت دوپ می‌شود تا تبدیل به N⁺ شود. اما این مسئله یک ایراد نیز ایجاد می‌کند؛ این‌که پیوند موجود به کاتد ( که معمولا با J3 نام‌گذاری می‌شود) نزدیک‌تر می‌شود و این نزدیکی موجب کاهش ولتاژ شکست پیوند تا حدود 40 – 20 ولت می‌گردد.

اما میزان دوپ شدن ناحیه‌ی P دارای درجه‌بندی است که بیش از اندازه یا کم‌تر از حد دوپ نشود چرا که برای ایجاد بهره‌وری بالا در امیتر باید میزان دوپ این ناحیه کم باشد و از طرف دیگر برای این‌که قابلیت خاموش شدن به خوبی ایجاد شود باید میزان دوپ بالا باشد.

معمولا پایه‌ی گیت به منظور دستیابی به قابلیت‌های خاموش و روشن شدن بهینه، از درون به صورت دیجیتال تنظیم می‌شود. گاهی در برخی از دستگاه‌های جریان بالا ( 1000 A و بالاتر) بیش از هزاران قطعه وجود دارند که بسیاری از آن‌ها ممکن است به پایه‌ی گیت متصل باشند. بنابراین نیاز است که کنترل دقیقی بر روی این پایه وجود داشته باشد.

یک مشخصه کلیدی دیگر در GTO ، حداکثر ولتاژ مسدود سازی مستقیم( forward blocking  ) است. این ولتاژ به میزان دوپ و ضخامت ناحیه‌ N پایه بستگی دارد. از آن‌جا که بسیاری از دستگاه‌ها به ولتاژ مسدود سازی در محدوده‌ی کیلوولت نیاز دارند، میزان دوپ این ناحیه باید پایین نگه داشته شود.

نحوه عملکرد GTO

بسیاری از ابعاد عملکردی GTO مشابه تریستورهای معمولی است. می‌توانیم آن را مانند یک ترانزیستور PNP و یک ترانزیستور NPN  که با آرایش بخصوصی به هم متصل شده‌اند تصور کنیم. این آرایش به نحوی است که با روشن شدن ترانزیستورها، سیستم خودش را در همین وضعیت حفظ می‌کند مگر آن‌که پالس منفی‌ای به منظور خاموش کردن تریستور به گیت وارد شود.

زمانی که  پتانسیلی بین آند و کاتد یک  GTO خاموش اعمال می‌شود، هیچ جریانی در آن جاری نخواهد شد مگر آنکه پتانسیل اعمال شده از میزان ولتاژ شکست بیشتر باشد. در این صورت در نتیجه‌ی شکست بهمنی، جریانی در تریستور جاری خواهد شد. اما این مود عملکردی برای کاربردهای نرمال مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

 این وضعیت که در آن تریستور هادی جریان نیست ، گفته می‌شود که GTO در مود  مسدودسازی مستقیم قرار دارد.

برای روشن شدن تریستور باید حتما جریان بیشتر از اندازه‌ی مشخصی به ورودی گیت آن تزریق شود. جریان وارد شده، TR2  ( در عکس فوق مشخص شده است) را روشن می‌کند. این روشن شدن باعث می‌شود ولتاژ کلکتور TR2 به ولتاژ امیتر آن نزدیک شود و در نتیجه TR1 نیز روشن می‌شود.

روشن شدن TR1 باعث می‌شود که جریان در ترمینال بیس TR2 جاری شود. وجود این حلقه‌ی فیدبکی تضمین می‌کند که مانند سایر انواع تریستورها، GTO نیز پس از روشن شدن در وضعیت روشن باقی بماند، تا زمانی که خود آن را با تحریکی خارجی خاموش کنیم.

اما همان‌طور که در پاراگراف‌های بالاتر توضیح دادیم، برای خاموش کردن تریستور باید ولتاژی منفی متناسب با کاتد و میزان دوپ آن به ترمینال گیت تزریق کنیم. این ولتاژ منفی موجب می‌شود که جریان از ناحیه بیس TR2 به بیرون کشیده شود. در نتیجه در بیس افت ولتاژ ایجاد می‌شود و بموجب این افت ولتاژ پیوند در حالت بایاس معکوس قرار گرفته و جریان به مرور صفر شده و TR2  خاموش می‌شود.

پس از آن جریانی که به ناحیه بیس TR1 می‌رفت نیز رفته رفته صفر شده و TR1 نیز خاموش خواهد شد.

اما مطالعات فیزیکی دقیق تری که بر روی مرحله‌ی خاموش شدن تریستور GTO صورت گرفته ‌اند، نشان می‌دهند که در بخشی از این مرحله، جریان در مسیرها و نقاطی از مدار که در دورترین فاصله‌ها نسبت به گیت قرار دارند هجوم برده و تجمع پیدا می‌کند. این تجمع جریان حرارت بالایی تولید می‌کند و اگر پروسه خاموشی و جریان تریستور تحت کنترل نباشد ممکن است به خود GTO یا مدار کلی آسیب وارد شود. بنابراین باید نقاطی از مدار که جریان در آن‌ها تجمع پیدا می‌کند را شناسایی و خاموش نمود. با خاموش کردن این مسیرها، جریان دیگر نخواهد توانست از محدوده تریستور بگریزد، در نتیجه بدون تاخیر کاهش یافته و تخلیه می‌شود. کاهش جریان در اطراف پیوند نواحی تخلیه ای ایجاد می‌کند که به‌موجب آن‌ها تریستور وارد ناحیه‌ی مسدودسازی مستقیم خواهد شد و دیگر جای نگرانی نداریم.

نکته پایانی در مورد تریستور GTO

در پایان بار دیگر یادآوری می‌کنیم که تریستور GTO  هرچند که از بسیاری لحاظ مشابه تریستورهای استاندارد دیگر است اما ویژگی برجسته آن یعنی قابلیت خاموش شدن با اعمال سیگنال خارجی ، باعث شده است که قطعه‌ای کاربردی و بی‌بدیل در پروژه ها و مدارهایی باشد که بقیه‌ی تریستورها پاسخگوی نیاز آن‌ها نیستند.  خب این آموزش نیز به پایان رسید و امیدوارم مفید واقع شده باشه و توصیه میکنم آموزش های الکترونیک صنعتی و  آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ را نیز بخوانید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>