GTO
(Kapıdan Kesmeli Tristör) Nedir?

Tristörler çok yüksek güç değerlerinde çalışan güç elektroniği devrelerinde kullanılmalarına rağmen sadece iletime gitme (Turn-on) durumları kontrol edilebilmektedir. Bu sorun DC-DC ve DC-AC dönüştürücüler için çok büyük problemler oluşturmaktadır. Tristörlerin kesime gitmeleri kapı terminalinden yapılamadığı için özel devreler gerektirmektedir. Bu noktada kapıdan kesime götürülebilen GTO'lar devreye girmektedir. Bu yazımızda GTO'ların yapısı ve çalışma prensibini inceledik.

A- A+

25.04.2016 tarihli yazı 37700 kez okunmuştur.

GTO üç terminali bulunan bir yarı iletken anahtarlama elemanıdır. Bu terminaller aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi anot, katot ve kapı (Gate) uçlarıdır. GTO, kapıdan kesmeli tristör anlamına gelen "Gate Turn Off Thyristor" kelimelerinden gelmektedir. GTO isminden de anlaşılacağı gibi gate ucundan kesime götürülebilme yeteneğine sahiptir. GTO'da gate ucundan uygulanacak pozitif bir akım GTO iletime sokulabilir. Ayrıca GTO'yu kesime götürmek için ise gate ucuna uygulanacak negatif bir darbe yeterlidir. GTO'nun sembolünde aşağıda görüldüğü gibi GTO'yu normal tristörden ayıran gate ucuna konulmuş iki adet zıt yönlü ok vardır. Bu oklar gate terminaline çift yönlü akım uygulanarak kullanılabileceğini göstermektedir.

►İlginizi Çekebilir: MCT (Mos Kontrollü Tristör) Nedir?

GTO'yu kesime götürmek için gerekli olan gate akımı oldukça yüksektir. Örneğin üzerinde 4.000 Volt gerilim indüklenen ve iletimdeyken 3.000 Amper akım geçiren bir GTO'yu kesime götürmek için yaklaşık 750 Amper'lik bir gate akımı gereklidir. Bu durumda GTO'nun kesim kazancı oldukça düşük olmaktadır. Yani başka bir deyişle GTO'yu kesime götürmek içi gerekli enerji oldukça yüksektir. Büyük gate akımlarının gerekliliği nedeniyle GTO'lar düşük güç gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Diğer bir yandan GTO iletim durumu boyunca tristör gibi davranır ve üzerinde küçük bir gerilim düşümü olur. GTO'lar tristörlere göre oldukça yüksek anahtarlama hızlarına sahiptir ayrıca güç transistörlerinden de daha yüksek akım ve gerilim değerlerinde çalışabilirler.

GTO'nun Yapısı

Tristörün yapısı aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi tristöre oldukça benzer. GTO'da da tristördeki gibi P-N-P-N jonksiyonu bulunmaktadır. Aşağıdaki şekilde katot ucundaki n jonksiyonu yoğun bir şekilde katkılanarak yüksek emiter verimi elde edilmeye çalışılır. Bunun sonucu olarak J2 jonksiyonunun bel verme gerilimi 20-40 volt dolaylarında düşük bir gerilim değeri olur. Gate ucundaki p jonksiyonunun yüksek derecede katkılanır. Çünkü iyi bir kesim özelliğinin olabilmesi için bu gölgenin katkılanması iyi olmalıdır. Buna ek olarak gate ve katot uçları GTO'nun akımını optimize edip kesim yeteneğini artırmak için çeşitli geometrik formlarla birbirine sıkıca kenetlenmiş olmalıdır.

►İlginizi Çekebilir: Güç Elektroniği Elemanları

Anotdaki PN jonksiyonuna anot jonksiyonu denir. Yoğun bir şekilde katkılanmış anot ucundaki P bölgesi, yüksek verimli bir anot jonksiyonu elde etmek için gereklidir. Ancak bu GTO'nun kesim yeteneğini etkiler. Bu sorun şekilde görüldüğü gibi P katmanları arasına yoğun katkılı N tabakaları konulmasıyla çözülür. Buradaki N tabakaları J1 jonksiyonundaki N katmanıyla direk olarak bağlantılıdır. Bu ise elektronların J1 jonksiyonunun N katmanından direk olarak anot metaline akmalarına neden olur. Bu olaya ise anot anot kısa devresi denir.

Anot kısa devresi nedeniyle GTO'nun ters yöndeki tıkama kapasitesi J3 jonksiyonunun bel verme gerilimine indirgenir ve böylelikle GTO'nun tıkama mekanizması hızlandırılır. İyi bir iletim ve tıkama durumu için anot kısa devresinin yoğunluğuyla ilgili dikkat edilmesi gereken hususlar da bulunmaktadır.

GTO'nun Çalışma Prensibi

GTO'nun iletim durumu sıradan bir tristöre benzemektedir. Gate terminaline pozitif bir akım uygulanarak anot ucuna katota göre pozitif bir gerilim uygulanır. Bu olay katottan anoda doğru bir elektron emisyonuna neden olur. Böylelikle anot terminalinden taban bölgesine doğru delik emisyonu sağlanır. GTO'daki bu elektron ve delik hareketi GTO iletimde olduğu sürece devam eder.

GTO'nun kesimde olması durumunda ise gate terminaline ters akım uygulanır. Bu durumda gate ucu katot ucuna göre negatiftir yani gate ile katot arasına negatif bir gerilim darbesi uygulanır. Tabandaki P tabakasından deliklerin bir kısmı katottan, elektron emisyonunu bastıran gate ucuna doğru gider. Buna karşın gate ucundan daha fazla delik akımı çekilir. Sonuç olarak tabandaki P jonksiyonundaki gerilim düşümü gate katot arasında ters akım oluşmasına neden olur. Kısaca gate ucundaki ters akımla birlikte elektron-delik akışı tabandaki anoda bağlı P jonksiyonu ile gate ucu arasında olacağından dolayı iletim durumundaki anot ile katot arasında oluşan elektron-delik akışı yok olur ve dolayısıyla GTO kesime gitmiş olur.

GTO'nun Gerilim-Akım Karakteristiği

GTO'nun iletim durumu tristöre benzediği için gerilim-akım karakteristiğinin de iletim durumuyla bağlantılı olan eğrisi tristörün gerilim-akım karakteristiğine benzemektedir. Şekilde görüldüğü gibi GTO'nun anot ucuna uygulanan gerilim değeri sürekli olarak arttığında eğer tetik uygulanmazsa belirli bir noktadan sonra tristör mantığında olan devrilme gerilimine ulaşır ve GTO kendiliğinden iletime geçer. Bu normal şartlar altında istenmeyen bir durumdur. Anot ucuna gerilim uygulandığında gate ucundan da bir tetik uygulanırsa akım "Gate Triggered Turn-ON" okuyla gösterilen yerde olduğu gibi hızla artmaya başlar. Gate ucuna kesim için bir tetik uygulandığında ise önce anot katot arasında indüklenen gerilimin artmasıyla birlikte akım azalır ve GTO kesime gider. Bu yol ise şekil üzerinde "Gate Triggered Turn-OFF" okuyla gösterilmiştir. Görüldüğü gibi GTO'nun iletim durumu karakteristiği tristörün iletim karakteristiğiyle benzerdir.