GTO

1. Họ và tên: Vũ Thế Phong
MSSV: 20192021
BÁO CÁO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT.
Chương 7
Gate Turn-off Thyristors
1. Mở đầu.
- GTO là (Gate Turn-Off) là một biến thể của dạng thyristor tiêu chuẩn, là
thyristor khóa được bằng cực điều khiển. Thay vì cổng G được sử dụng để
bật thyristor, xung cổng G sẽ tắt thiết bị khi đặt vào điện áp am.
- GTO được chia làm hai loại - loại cho phép chịu áp ngược (symmetrical), và
loại “nốitắt anode” (anode short GTO thyristor) chỉ có khả năng khoá áp
thuận trị số lớn và có điện trở nhỏ. Loại GTO này phổ biến trên thị trường
hơn.
- GTO có thể đóng cắt dòng điện lớn, chịu được điện áp cao như thyristor
thường với các tín hiệu điện côngsuất nhỏ.
- Tuy nhiên, việc bật GTO không đáng tin cậy bằng một thyristor tiêu chuẩn và
một dòng điện dương nhỏ phải được duy trì tại cổng G ngay cả sau khi GTO
dẫn để cải thiện độ tin cậy.

2. 2. Cấu trúc cơ bản và chế độ làm việc.
a. Cấu trúc:
- GTO là một thiết bị bốn lớp có ba đầu. Các lớp là PNPN với lớp p nối với cực
dương và lớp n kết nối cực âm.
 Trong cấu trúc của GTO lớp P, anot được bố sung lớp n+. Dấu + ở bên
nghĩa là mật độ các điện tích tương ứng được làm giàu thêm, mục đích
làm giảm điện trở khi dẫn qua các vũng này. Điều này có nhược điểm
là đường giao nhau gần cực âm nhất với điện áp đánh thủng thấp,
thường là 20-40 volt.
- Kí hiệu GTO được biểu diễn như sau 7.1a:
- Mật độ xen kẽ cao được yêu cầu trên một GTO đểđạt được hiệu quả trong việc
ngắt dòng điện. Thiết kế phổ biến là sử dụng các vùng catot được tách thành
nhiều lá sắp xếp thành các vòng tròn đồng tâm xung quanh. Quan trọng nhất
là tất cả các lớp đều được tắt đồng thời nếu không năng lượng tập trung vào số
ít các lớp gây hỏng thiết bị do nhiệt độ cao.

3. - Mức độ xen kẽ cao dẫn đến tốc độ bật GTO nhanh:
 Phần xa nhất của catot cách cổng không quá 0.16 mm. Do đó GTO có
thể bật trong vòng 5 µs giảm tối đa tổn thất khi bật.
- Kí hiệu của nó cho thấy tính điều khiển hoàn toàn của nó: dòng đi vào để mở
GTO, còn dòng đi ra khởi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra
khỏi cấu trúc bán dẫn nghĩa là khóa GTO lại.
b. Nguyên lý hoạt động
- Mở GTO:
 Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anot có điện áp dương hơn catot thì
toàn bộ điện áp rơi sẽ rợ trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như thyristor.
Tuy nhiên nếu catot có điện áp dương hơn so với anot thì tiếp giáp p+
với n ở sátanot sẽ bịđánh thủng ngay ở điện áp thấp. GTO do đó không
thể chịu được điện áp ngược.
 GTO mở bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể. Do cấu
trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì của GTO cao hơn với thyristor
thường. Dòng điều khiển phải có biến độ lớn hơn và duy trì trong thời
gian dài để dòng qua GTO vượt xa giá trị dòng duy trì.
- Khóa GTO:

4.  Một xung dòng sẽ được lấy ra khỏi cực điều khiển. Khi van đang dẫn,
tiếp giáp J2 chứa một lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của
hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện
tích chuyển từ catot, vùng n+, đến anot vùng p+, tạo nên dòng.
 Bằng cáchlấy đilượng lớn điện tíchqua cực điều khiển (cung cấp điện
áp âm lớn), vùng dẫn điện sẽ bị co lại, ép về phía vùng p+ của anot và
vùng n+ của catot. Kết quả là sự sụt áp gây ra phân cực ngược, dòng
anot sẽ bịgiảm đến cho khi về 0. Dòng điều khiển được suy trì một thời
gian để GTO phục hồi tính chất khóa.
 Trong suốt quá trình này, diện tích của vùng p từ từ cạn kiệt để vùng
giao nhau có thể bị ép lại. Khi quy trình này tiếp tục, thì dòng điện cực
dương cung cấp cho các vùng xa hơn bằng cách hình thành các sợi với
mật độ dòng điện cao. Vì vậy, điều này có thể gây ra hạn chế là nhiệt
độ cao có thể làm hỏng thiết bị nếu các sợi này không bị dập tắt nhanh
chóng.
 IG dòng điều khiển, có biên độ lớn đến IGM, sau đó duy trì trong suốt
giai đoạn mở. Khi khóa lại dòng âm đạt đến biên độ IGQM. tw độ rộng
xung mở, tAV độ rộng xung áp âm khi khóa, tGM trễ khi khóa là những
thông số quan trọng.

5.  Dòng điện yêu cầu mạch cổng G để tắt GTO có giá trị khá lớn. Trong
khi xung dòng điện cần đưa vào cổng để kích đóng GTO chỉ cần đạt
giá trị khoảng 3-5%, tức khoảng 30A với độ rộng xung 10µs đốivới
loại linh kiện có dòng định mức 1000A thì xung dòng điện kích cổng
để ngắt GTO cần đạt đến khoảng 30-50%, tức khoảng 300A với độ
rộng xung khoảng 20-50 µs.
 Khi nồng độ điện tíchđủ thấp để quá trình dẫn điện kết thúc, thiết bị sẽ
chuyển về trạng thái tắt. Tại thời điểm này, mặc dù dòng điện cực âm
đã ngừng, nhưng dòng điện từ cực dương đến cổng vẫn tiếp tục được
cung cấp bởi các hạt tải điện từ điện tích được lưu trữ trong vùng n.
Điều này được hiểu như một dòng điện đuôi giảm dần theo cấp số nhân
khi nồng độ điện tích còn lại bị giảm bởi quá trình tái kết hợp. Sự hiện
diện của dòngđiện đuôinày với sự kết hợp của điện áp ngoài trạng thái
GTO cao tạo ra tổnthất điện năng đáng kể. Trong giai đoạnchuyển tiếp
này, điện trường trong vùng n bị bóp méo hoàn toàn do sự hiện diện
của các hạt mang điện và có thể dẫn đến phá vỡ tuyết lở sớm. Sự ion
hóa do va chạm có thể gây ra hỏng hóc thiết bị. Hiện tượng này được
gọi là “tuyết lở động”. Thiết bị khôi phục lại các đặc tính chặn ở trạng
thái ổn định khi dòng điện đuôi giảm đến mức dòng rò.
3. Mô hình GTO Thyristor.
- Mạch tương đương của một GTO được thể hiện ở hình 7.3C, ghép nối giữa
Transistor PNP và NPN với hệ số:
Với IA, IG là dòngqua anot và cổng G, αpnp , αnpn là hệ số khuếch đại dòng DC.

6. - Một thiết bị không bị ngắn mạch, điện tíchđược lấy từ cực dương nhưng thiết
bị chưa đóng cho đến khi :
Quá trình diễn ra trong khoảng thời gian ngắn cho đến khi dòng điện và hệ số
khuếch đại thỏa mãn biểu thức trên.
- Hệ số khuếch đại PNP kết hợp cho ở biếu thức dưới đây:
Trong đó Vbc = điện áp cực emitter (thường là 0.6V), Rs là trở ngắn mạch
anot.
4. Đặc tính tĩnh của GTO.
a. Đặc tính khi họat động
- Khi đang bật thì GTO hoạt động giống như một thyristor.
- Dưới đây là đường đặc tính VI với GTO 4000 – 4500V ở nhiệt độ 25oC và 125
oC. Đường cong xấp xỉ đường thẳng với phương trình:
V0 là điện áp chặn, R0 là trở khi làm việc.

7. - Khi giá trị trung bình và giá trị RMS của dòng được xác định thì tính được
công suất khi làm việc như sau:
b. Đặc tính ở trạng thái tắt
- Không giống như thyristor tiêu chuẩn, GTO không bao gồm bộ phát cực âm
để ngăn chặn các hiệu ứng bật không định hướng do dòng rò phân cực thuận
gây ra dv/dt. Do đó, ở trạng thái không hoạt độngcủa GTO, các bước cầnđược
thực hiện để ngăn chặn sự kích hoạt có thể nguy hiểm như vậy. Điều này có
thể được thực hiện bằng cáchkết nối giá trị điện trở thích hợp giữa cổng G và
cực âm (RKG) hoặc bằng cách tạo ra một điện áp lệch trên cổng G (VRG = -2
V). Điều này sẽ ngăn bộ catot trở nên phân cực thuận và do đó duy trì GTO ở
trạng thái tắt.
- Điện áp dò là một hàm của điện trở RGK. Điều này được thể hiện trong Hình
7.6. Trong điều kiện hoạt động bình thường, GTO được phân cực với điện áp
cổng âm là khoảng -15 V được cung cấp từ bộ truyền động cổngtrong khoảng
thời gian ngoài trạng thái. Tuy nhiên, cung cấp RGK có thể là phương pháp thiết
kế mong muốn trong trường hợp cổng bị lỗi vì bất kỳ lý do gì (khuyến nghị

8. RGK <1,5 cho GTO lớn). RGK tiêu hao năng lượng và do đó làm tăng thêm tổn
thất cho hệ thống.
c. Tỉ lệ tăng điện áp ở trạng thái tắt
- (dVt / dt) Dựa vào trở RGK thể hiện trong hình 7.7

9. d. Đặc tính kích hoạt cổng
- Dòng kích hoạt cổng (IGT) và điện áp kích hoạt cổng (VGT) đều phụ thuộc vào
đường cong nhiệt độ Tj như trong Hình 7.8. Trong trạng thái dẫn của GTO,
một giá trị nhất định của dòng điện phải được cung cấp và giá trị này phải lớn
hơn IGT ở nhiệt độ điểm giao nhau thấp nhất mà GTO hoạt động. Trong điều
kiện động, IGT cụ thể không đủ khả năng để kích hoạt việc chuyển đổiGTO từ
điện áp và di/dt cao. Trong thực tế, nên sử dụng dòng cực đại qua cổng G IGM
(gấp mười lần IGT) ở Tj min để có được hiệu suất bật tốt.
5. Giai đoạn chuyển mạch.
a. Bật
- GTO có cấu trúc cổng xen kẽ cao mà không có cổng phục hồi. Do đó nó yêu
cầu một xung kích hoạt cổng ban đầu lớn. Giá trị tối thiểu (IGM) và tối đa của
xung cổng G có thể được lấy từ datasheet của thiết bị. Tốc độ tăng của dòng
điện cổng di/dt sẽ ảnh hưởng đến tổn thất khi bật thiết bị. Khoảng thời gian
của xung IGM không được nhỏ hơn một nửa thời gian tối thiểu cho thời gian đã
cho trong xếp hạng bảng dữ liệu. Sẽ cần một khoảng thời gian dài hơn nếu di
/ dt dòng điện cực dương thấp sao cho IGM được duy trì cho đến khi thiết lập
đủ mức dòng điện cực dương.

10. b. Trạng thái hoạt động
- Khi GTO được bật, dòng điện cổng G phải được tiếp tục tác động trong toàn
bộ thời gian dẫn. Nếu di/dt âm lớn hoặc sự đảo ngược dòng anốt xảy ra trong
mạch ở trạng thái bật, thì giá trị IG cao hơn có thể được yêu cầu. Tuy nhiên, giá
trị IG thấp hơn được yêu cầu khi thiết bị đã nóng lên.
c. Tắt
- Mạch sử dụng để tắt GTO trong Diagram 10. Trước khi xung âm được đặt là
cổng G một dòng điện không đổi, tương đương với ITGQ, được thiết lập trong
DUT. Công tắc Sx được mở ngay trước khi DUT tắt bằng xung cổng ngược.
Sau khoảng thời gian tgt điện áp tăng trên DUT, dv/dt bị giới hạn bởi mạch
snubber. Điện áp sẽ tiếp tục tăng qua DUT cho đến khi Dc bật ở điện áp được
đặt bởi kẹp hoạt động Cc, điện áp sẽ được giữ ở giá trị này cho đến khi năng
lượng lưu trữ trong Lx bị cạn kiệt, sau đó nó sẽ giảm xuống VDC. Giá trị của
Lx được chọn để đưa ra VD bắt buộc trong khoảng thời gian cuối quá trình.
Điện áp quá mức VDM bắt nguồn từ Lc và đặc tính điện áp thuận của DC, điển
hình là VDM = 1,2VD đến 1,5VD. Cổngđược giữ phân cực ngược thông qua một
mạch trở kháng thấp cho đến khi dòng điện đuôi được dập tắt hoàn toàn.

11. d. Giai đoạn không hoạt động
- Trongkhoảng thời gian này, bắtđầu sau khi dòngđiện đuôigiảm về 0, lý tưởng
nhất là cổng vẫn được phân cực ngược. Khi này đảm bảo khả năng chặn dòng
và dv / dt một cách tốt nhất.
- Trong trường hợp nguồn cung cấp phụ trợ cho mạch tắt cổngbị hỏng, cổng có
thể ở trạng thái phân cực ngược và GTO có thể không chặn được điện áp. Để

12. đảm bảo điện áp chặn của thiết bị được duy trì, khi đó phải áp dụng điện trở
cực âm cổng (RGK) tối thiểu như thể hiện trong hình dưới. Giá trị của RGK cho
một điện áp đường dây nhất định có thể được lấy từ datasheet.
e. Mạch điều khiển GTO đơn giản
- Đây là sơ đồ đơn giản thực hiện nguyên lý điều khiển GTO. MẠch dung hai
khóa transistor T1, T2. Khi tín hiệu điều khiển là 15V, T1 mở, dòng chạy từ
nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp điện cho tụ C1 tạo nên dòng chạy vào
cực điều khiển của GTO. Khi tụ C1 nạp đầy đến điện áp của diot ổn áp Dz
(12V), dòng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu diều khiển rơi xuống mức 0V
thì T1 bị khóa, T2 sẽ mở do có điện áp trên tụ C1, tụ C1 bị ngắn mạch qua cực

13. điều khiển và catot, transistor T2 tạo nên dòng đi ra khỏi cực điều khiển, khóa
GTO lại. Diot Dz ngăn không cho tụ C1 nạp ngược lại.
- Vai trò của nguồn áp chính là tụ C1. Transistor T2 chịu được xung dòng có
biên độ lớn chạy qua.
6. Mô đen Spice GTO.
- Một GTO có thể được mô hình hóa với hai bóng bán dẫn. Tuy nhiên, mô hình
GTO [3] bao gồm hai thyristor, được kết nối song song, mang lại các đặc tính
trạng thái bật, tắt được cải thiện. Điều này được thể hiện trong hình 7.13 với
bốn bóng bán dẫn.
- Khi điện áp đi từ cực dương đến cực âm, VAK dương và không có điện áp cổng
G, mô hình GTO sẽ ở trạng thái tắt giống như một thyristor tiêu chuẩn. Nếu
một điện áp dương (VAK) được đặt vào anốt so với catốt và không có xung
cổng G đặt vào, IB1 = IB2 = 0 và do đó IC1 = IC2 = 0. Do đó, không có dòng điện
chảy ở anot IA = IK = 0.
- Khi một điện áp nhỏ được đặt vào cổng, thì IB2 khác 0 và do đó cả IC1 IC2 đều
khác 0. Như vậy mạch bên trong sẽ dẫn và có dòng điện từ cực dương sang
cực âm.
- Khi một xung âm được áp cổng G cho mô hình GTO, điểm nối PNP gần
cathode sẽ hoạt động như một diode. Diode sẽ được phân cực ngược vì điện
áp cổng là âm với cực âm. Do đó GTO sẽ ngừng dẫn truyền.
- Khi thế từ cực dương đến cực âm là âm, nghĩa là điện áp cực âm nối với áp
âm, mô hình GTO sẽ hoạt động giống như một điốt phân cực ngược. Điều này
là do bóng bán dẫn PNP sẽ phát hiên điện áp âm ở bộ phát và bóng bán dẫn

14. NPN sẽ thấy điện áp dương ở bộ phát. Do đó cả hai bóng bán dẫn sẽ ở trạng
thái tắt và do đó GTO sẽ không dẫn.
7. Ứng dụng.
- Dưới đây là một vài ứng dụng của GTO trong thực tế:
 Được sử dụng trong các hệ thống truyền động hiệu suất cao, chẳng hạn
như sơ đồ điều khiển hướng hiện trường được sử dụng trong các nhà
máy, rô bốt và máy cụ công nghiệp.
 GTO được sử dụng trong biến tần.
 GTO được sử dụng trong thiết bị truyền động DC hoặc máy cắt DC.
 GTO được sử dụng trong các thiết bị truyền động AC.
 Nó được sử dụng trong các bộ nguồn ổn áp AC.
 Nó được sử dụng trong lò sưởi cảm ứng.
8. So sánh GTO với các loại thiết bị bán dẫn khác.
- GTO với SCR:
1. Trong SCR, chỉ có chức năng ‘bật’ là có thể điều khiển được, trong
khi cả hai chức năng ‘bật’ và ‘tắt’ đều có thể điều khiển được trong
GTO.
2. GTO sử dụng cả xung âm và dương trong hoạt động không giống
như SCR chỉ sử dụng xung dương.
3. Cả SCR và GTO đều là một loại thyristor có bốn lớp bán dẫn, nhưng
có một chút khác biệt về cấu trúc.
4. Cả hai thiết bị đều được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao.
- GTO với IGBT:
1. Ba thiết bị đầu cuối của IGBT được gọi là cực phát, cực thu và cổng,
trong khi GTO có các đầucuốiđược gọilà cực dương, cực âm và cổng.
2. Cổng của GTO chỉ cần một xung để chuyển đổi, trong khi IGBT cần
nguồn điện áp cổng liên tục.
3. IGBT là một loại bóng bán dẫn và GTO là một loại thyristor, có thể
coi đây là một cặp bóng bán dẫn kết hợp chặt chẽ với nhau trong phân
tích.
4. IGBT chỉ có một điểm nối PN và GTO có ba điểm nối trong số đó.
5. Cả hai thiết bị đều được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng cao.
6. GTO cần các thiết bị bên ngoài để điều khiển việc tắt và bật xung,
trong khi IGBT không cần.