ثايرستور GTO هو نوع خاص من الثايرستور، وهو جهاز من أشباه الموصلات
عالية الطاقة، وهو عكس الثايرستور العادي حيث ان الثايرستور العادي عبارة عن مفتاح
شبه متحكم فيه يمكن تشغيله عن طريق تطبيق تيار بوابة موجب ولكنه يفتقر إلى القدرة
على إيقاف تشغيله باستخدام نفس البوابة. يجب قطع التيار الرئيسي لإيقاف الثايرستور
باستخدام دائرة التبديل، للتغلب على هذه المشكلة تم تصميم GTO، الذي هو مجموعة
مفاتيح يمكن التحكم فيها بالكامل ويمكن تشغيلها وإيقاف تشغيلها بعدّة طرق.
هو اختصار ل Gate Turn of Switch، هو جهاز تحويل أحادي الاتجاه يعتمد على أشباه الموصلات ويتم التحكم فيه بالكامل (الثايرستور) ويحتوي على ثلاثة اطراف البوابة (G) ، والكاثود (K) ، والأنود (A) ، يمكن تشغيل/إيقاف تشغيله باستخدام البوابة Gate .
يتم تشغيل نبض التيار الإيجابي عند البوابة على GTO بينما يقوم نبض التيار السلبي عند البوابة بإيقاف تشغيله. إنه أحادي الاتجاه، لذلك فهو يسمح فقط بالتيار من الأنود إلى الكاثود.
GTO عبارة عن جهاز PNPN مكون من 4 طبقات يحتوي على 3 وصلات PN و3 أطراف طرفية: البوابة (G)، والأنود (A)، والكاثود (C).
الانود
الأنود عبارة عن قطب معدني متصل بالمنطقة P+ شديدة التنشيط. يتم الاحتفاظ بالمنشطات عالية للحفاظ على كفاءة الأنود العالية. يؤدي التنشيط الشديد إلى تقليل وقت التشغيل ولكنه يزيد أيضًا من وقت إيقاف التشغيل مع فقدان الطاقة. لتجنب هذه المشكلة، يتم إضافة مناطق N+ إلى منطقة الأنود المعروفة باسم هيكل الأنود القصير. إنه يقلل من حجب الجهد العكسي مع توقيت إيقاف تشغيل أفضل. لذلك، تم تصميم الأنود القصير على أساس الأداء المطلوب.
في أعلى منطقة الأنود، تتم إضافة منطقة قاعدة من N-type لتشكل وصلة PN J1 حيث يحدد المنشطات وعرض هذه المنطقة سعة جهد الحجب الأمامي للجهاز. يؤدي انخفاض مستوى المنشطات وزيادة عرض هذه الطبقة إلى زيادة جهد الحجب الأمامي لـ GTO.
البوابة
تتم إضافة منطقة البوابة من النوع P-typeعلى الطبقة N الأساسية لتشكل الوصلة الثانية j2. هذه المنطقة ليست مخدرة بشكل كبير أو خفيف للأسباب المذكورة. يؤدي التنشيط الشديد لمنطقة البوابة إلى الحصول على وقت إيقاف أفضل، كما يؤدي التنشيط الخفيف إلى زيادة كفاءة الباعث من منطقة الكاثود. هذا هو السبب في أن منطقة البوابة P مخدرة بشكل معتدل.
الكاثود
يتم توصيل الكاثود بطبقة N + مخدرة بشدة. إنه مخدر بشدة للحصول على كفاءة باعث أعلى ولكن على حساب انخفاض جهد الانهيار.
يتمتع GTO بنفس عملية التشغيل التي يتمتع بها الثايرستور التقليدي. يمكن تشغيله باستخدام طريقتين، أي زيادة الجهد الأمامي فوق جهد الانهيار، وتطبيق تيار البوابة الموجب.
عندما يتم تطبيق الجهد الأمامي على GTO، أي أن جهد الأنود يكون موجبًا من الكاثود، تصبح الوصلة j1 وj3 متحيزة للأمام بينما تصبح الوصلة j2 متحيزة عكسيًا. لا يسمح j2 المتحيز المعكوس بتدفق التيار عبر الجهاز. إذا تم زيادة الأمام فوق الانهيار الأمامي فوق الجهد ، سيحدث انهيار جليدي وسيصبح J2 متحيزًا للأمام مما يسمح بتدفق التيار. هذا النوع من التبديل مدمر ويجب تجنبه.
الطريقة الصحيحة لتحويل GTO هي تطبيق تيار بوابة إيجابي عند تطبيق الجهد الأمامي. يؤدي تطبيق التيار الموجب عند البوابة إلى حقن ثقوب في منطقة البوابة P مما يجعل j3 متحيزًا للأمام. وبالتالي السماح للتيار بالتدفق من خلاله.
لإيقاف تشغيل GTO، يتم تطبيق محطة البوابة بتيار سلبي أو جهد سلبي فيما يتعلق بالكاثود. يتم استخراج الثقوب التي تدخل من خلال الأنود من خلال محطة البوابة. إنه يجعل الوصلة j3 منحازة عكسيًا مما يوقف حقن الإلكترون من منطقة الكاثود.
في هذا الوقت، لا يوجد تيار كاثود ولكن تيار الأنود لا يزال يتدفق عبر طرف البوابة والذي يسمى "تيار الذيل". فإنه يقلل بشكل كبير. وبمجرد وصوله إلى الصفر، يتم إيقاف تشغيل الجهاز تمامًا ويمنع الجهد الكهربي عند أطرافه. يعتمد تيار إيقاف التشغيل المطلوب لـ GTO على جهد الأنود والتيار ولكنه عادة ما يكون ربع تيار الأنود.
هناك نوعان من ثايرستور GTO بناءً على بنيتها هما:
هي النوع الأكثر شيوعًا من ثايرستور GTO والمعروفة أيضًا باسم "GTO الأنود القصير"، لديها قدرات حجب الجهد غير المتماثلة، أي أن جهد الحجب الأمامي لا يساوي جهد الحجب العكسي، فجهد الحجب العكسي أقل بكثير من جهد الحجب الأمامي، وعادة ما تستخدم مع الصمام الثنائي في الاتجاه المضاد للتوازي.
يتمتع ثايرستورGTO المتماثل بقدرات حجب الجهد المتماثل، فجهد الحجب العكسي مرتفع مثل الجهد الأمامي، ولا يحتوي على بنية "أنود قصير" بدلاً من أنود مصنوع من منطقة P+ نقية.
يمكن أن يعمل الثايرستور GTO أو Gate Turn-Off تمامًا مثل الثايرستور في الأوضاع الثلاثة التالية:
وضع الحظر الأمامي
عندما يكون الجهد المطبق من الأنود إلى الكاثود موجبًا ولكن لا يوجد تيار بوابة، لا يقوم الجهاز بتوصيل التيار الأمامي وحظره إلا إذا زاد جهد الأنود فوق الجهد الزائد أو تم تطبيق تيار البوابة، و يُسمى هذا الوضع وضع الحظر الأمامي.
وضع التوصيل إلى الأمامي
في هذا الوضع، يكون ثايرستور GTO في حالة التوصيل ومنذ ذلك الحين يكون أحادي الاتجاه، و يوصل التيار من الأنود إلى الكاثود. يمكن تشغيل GTO تمامًا مثل الثايرستور في التوصيل إما عن طريق تطبيق تيار البوابة وهو الطريقة الصحيحة أو زيادة جهد الأنود فوق الجهد الزائد.
وضع الحظر العكسي
عندما يصبح جهد الأنود سالبًا بالنسبة للكاثود، فإنه يمنع تدفق التيار فوهو جهاز أحادي الاتجاه، ولا يسمح للتيار بالاتجاه المعاكس، ولكن إذا تجاوز الجهد العكسي الكسر العكسي للجهد فسوف يبدأ التوصيل.
إن ثايرستور GTO له العديد من المزايا كما أنه لا بخلو من العيوب.
نظرًا لخصائص التبديل الفائقة وإمكانيات إيقاف التشغيل دون الحاجة إلى دائرة تبديل، يُفضل GTO على الثايرستور التقليدي في التطبيقات المختلفة، بعض هذه التطبيقات لثايرستور GTO مذكورة أدناه:
مراجع
المفتاح السيليكونى ذو بوابة الإطفاء
What is GTO? Types, Construction, Working and Applications
Gate Turn Off Thyristor
 |
| ثايرستور GTO |
ما هو ثايرستور GTO ؟
هو اختصار ل Gate Turn of Switch، هو جهاز تحويل أحادي الاتجاه يعتمد على أشباه الموصلات ويتم التحكم فيه بالكامل (الثايرستور) ويحتوي على ثلاثة اطراف البوابة (G) ، والكاثود (K) ، والأنود (A) ، يمكن تشغيل/إيقاف تشغيله باستخدام البوابة Gate .
يتم تشغيل نبض التيار الإيجابي عند البوابة على GTO بينما يقوم نبض التيار السلبي عند البوابة بإيقاف تشغيله. إنه أحادي الاتجاه، لذلك فهو يسمح فقط بالتيار من الأنود إلى الكاثود.
بناء (هيكل) ثايرستور GTO
 |
| بناء (هيكل) ثايرستور GTO |
GTO عبارة عن جهاز PNPN مكون من 4 طبقات يحتوي على 3 وصلات PN و3 أطراف طرفية: البوابة (G)، والأنود (A)، والكاثود (C).
الانود
الأنود عبارة عن قطب معدني متصل بالمنطقة P+ شديدة التنشيط. يتم الاحتفاظ بالمنشطات عالية للحفاظ على كفاءة الأنود العالية. يؤدي التنشيط الشديد إلى تقليل وقت التشغيل ولكنه يزيد أيضًا من وقت إيقاف التشغيل مع فقدان الطاقة. لتجنب هذه المشكلة، يتم إضافة مناطق N+ إلى منطقة الأنود المعروفة باسم هيكل الأنود القصير. إنه يقلل من حجب الجهد العكسي مع توقيت إيقاف تشغيل أفضل. لذلك، تم تصميم الأنود القصير على أساس الأداء المطلوب.
في أعلى منطقة الأنود، تتم إضافة منطقة قاعدة من N-type لتشكل وصلة PN J1 حيث يحدد المنشطات وعرض هذه المنطقة سعة جهد الحجب الأمامي للجهاز. يؤدي انخفاض مستوى المنشطات وزيادة عرض هذه الطبقة إلى زيادة جهد الحجب الأمامي لـ GTO.
البوابة
تتم إضافة منطقة البوابة من النوع P-typeعلى الطبقة N الأساسية لتشكل الوصلة الثانية j2. هذه المنطقة ليست مخدرة بشكل كبير أو خفيف للأسباب المذكورة. يؤدي التنشيط الشديد لمنطقة البوابة إلى الحصول على وقت إيقاف أفضل، كما يؤدي التنشيط الخفيف إلى زيادة كفاءة الباعث من منطقة الكاثود. هذا هو السبب في أن منطقة البوابة P مخدرة بشكل معتدل.
الكاثود
يتم توصيل الكاثود بطبقة N + مخدرة بشدة. إنه مخدر بشدة للحصول على كفاءة باعث أعلى ولكن على حساب انخفاض جهد الانهيار.
مبدأ عمل ثايرستور GTO
 |
| مبدأ عمل ثايرستور GTO |
يتمتع GTO بنفس عملية التشغيل التي يتمتع بها الثايرستور التقليدي. يمكن تشغيله باستخدام طريقتين، أي زيادة الجهد الأمامي فوق جهد الانهيار، وتطبيق تيار البوابة الموجب.
عندما يتم تطبيق الجهد الأمامي على GTO، أي أن جهد الأنود يكون موجبًا من الكاثود، تصبح الوصلة j1 وj3 متحيزة للأمام بينما تصبح الوصلة j2 متحيزة عكسيًا. لا يسمح j2 المتحيز المعكوس بتدفق التيار عبر الجهاز. إذا تم زيادة الأمام فوق الانهيار الأمامي فوق الجهد ، سيحدث انهيار جليدي وسيصبح J2 متحيزًا للأمام مما يسمح بتدفق التيار. هذا النوع من التبديل مدمر ويجب تجنبه.
الطريقة الصحيحة لتحويل GTO هي تطبيق تيار بوابة إيجابي عند تطبيق الجهد الأمامي. يؤدي تطبيق التيار الموجب عند البوابة إلى حقن ثقوب في منطقة البوابة P مما يجعل j3 متحيزًا للأمام. وبالتالي السماح للتيار بالتدفق من خلاله.
كيف يتم إيقاف تشغيل ثايرستور GTO
لإيقاف تشغيل GTO، يتم تطبيق محطة البوابة بتيار سلبي أو جهد سلبي فيما يتعلق بالكاثود. يتم استخراج الثقوب التي تدخل من خلال الأنود من خلال محطة البوابة. إنه يجعل الوصلة j3 منحازة عكسيًا مما يوقف حقن الإلكترون من منطقة الكاثود.
في هذا الوقت، لا يوجد تيار كاثود ولكن تيار الأنود لا يزال يتدفق عبر طرف البوابة والذي يسمى "تيار الذيل". فإنه يقلل بشكل كبير. وبمجرد وصوله إلى الصفر، يتم إيقاف تشغيل الجهاز تمامًا ويمنع الجهد الكهربي عند أطرافه. يعتمد تيار إيقاف التشغيل المطلوب لـ GTO على جهد الأنود والتيار ولكنه عادة ما يكون ربع تيار الأنود.
منحنى خواص ثايرستور GTO
 |
| منحنى خواص ثايرستور GTO |
- تشبه خصائص ثايرستور GTO الثايرستور التقليدي باستثناء بوابة الإغلاق، يعمل ثايرستورGTO في الربعين الأول والثالث . الرسم البياني التالي يوضح العلاقة بين جهد الأنود V a وتيار الأنود I C .
- في الربع الأول، يكون جهد الأنود V a موجبًا بالنسبة للكاثود، ويكون الجهاز في وضع الحجب الأمامي ولكن لا يزال هناك تيار يتسرب للأمام. زيادة V a فوق الكسر الأمامي فوق الجهد V BF أو تطبيق تيار البوابة، يتم تشغيل GTO في التوصيل مما يسمح لتيار الأنود I a من خلاله مع انخفاض الجهد في الحالة V a عبره.
- قم بتطبيق تيار سلبي على البوابة وأطفئ GTO يتناقص I a بينما يبدأ V a في الظهور عبر الجهاز.
- في الربع الثالث، يكون V a سالبًا بالنسبة للكاثود. الجهاز في وضع الحجب العكسي ولكن يوجد تسرب للتيار يسمى تيار التسرب العكسي. إذا تجاوز الجهد الكهربي الانقطاع العكسي عن الجهد V BR ، يبدأ الجهاز بالتوصيل العكسي، إنها ليست مدمرة طالما بقيت مدتها صغيرة، ولكن ستؤدي المدة الطويلة في وضع التوصيل العكسي إلى إتلاف الجهاز.
أنواع ثايرستور GTO
هناك نوعان من ثايرستور GTO بناءً على بنيتها هما:
- ثايرستور GTO غير متماثل
- ثايرستور GTO متماثل
ثايرستور GTO غير متماثل
هي النوع الأكثر شيوعًا من ثايرستور GTO والمعروفة أيضًا باسم "GTO الأنود القصير"، لديها قدرات حجب الجهد غير المتماثلة، أي أن جهد الحجب الأمامي لا يساوي جهد الحجب العكسي، فجهد الحجب العكسي أقل بكثير من جهد الحجب الأمامي، وعادة ما تستخدم مع الصمام الثنائي في الاتجاه المضاد للتوازي.
ثايرستور GTO متماثل
يتمتع ثايرستورGTO المتماثل بقدرات حجب الجهد المتماثل، فجهد الحجب العكسي مرتفع مثل الجهد الأمامي، ولا يحتوي على بنية "أنود قصير" بدلاً من أنود مصنوع من منطقة P+ نقية.
متي يعمل الثايرستور GTO مثل الثايرستور العادي؟
يمكن أن يعمل الثايرستور GTO أو Gate Turn-Off تمامًا مثل الثايرستور في الأوضاع الثلاثة التالية:
وضع الحظر الأمامي
عندما يكون الجهد المطبق من الأنود إلى الكاثود موجبًا ولكن لا يوجد تيار بوابة، لا يقوم الجهاز بتوصيل التيار الأمامي وحظره إلا إذا زاد جهد الأنود فوق الجهد الزائد أو تم تطبيق تيار البوابة، و يُسمى هذا الوضع وضع الحظر الأمامي.
وضع التوصيل إلى الأمامي
في هذا الوضع، يكون ثايرستور GTO في حالة التوصيل ومنذ ذلك الحين يكون أحادي الاتجاه، و يوصل التيار من الأنود إلى الكاثود. يمكن تشغيل GTO تمامًا مثل الثايرستور في التوصيل إما عن طريق تطبيق تيار البوابة وهو الطريقة الصحيحة أو زيادة جهد الأنود فوق الجهد الزائد.
وضع الحظر العكسي
عندما يصبح جهد الأنود سالبًا بالنسبة للكاثود، فإنه يمنع تدفق التيار فوهو جهاز أحادي الاتجاه، ولا يسمح للتيار بالاتجاه المعاكس، ولكن إذا تجاوز الجهد العكسي الكسر العكسي للجهد فسوف يبدأ التوصيل.
مميزات وعيوب ثايرستورGTO
إن ثايرستور GTO له العديد من المزايا كما أنه لا بخلو من العيوب.
مميزات ثايرستورGTO
- ميزة إيقاف التشغيل وبالتالي القضاء على استخدام دائرة التبديل، وفي المقابل يتم تقليل حجم ووزن الدائرة بشكل كبير.
- لديه وقت إيقاف تشغيل منخفض مع التبديل الفعال.
- لديه خصائص تحويل أفضل من الثايرستور التقليدي.
- لديه قدرات حجب الجهد العالي.
- لديها قدرات عالية على الحالية.
- إنه فعال من حيث التكلفة بسبب عدم وجود دوائر تخفيف إضافية.
- لديه كفاءة أعلى بسبب عدم وجود خسائر بسبب التخفيف القسري في الثايرستور التقليدي.
- يمكنه التعامل مع الزيادات الحالية المشابهة للثايرستور التقليدي.
عيوب ثايرستورGTO
- تيار البوابة المطلوب لتشغيل GTO أعلى من الثايرستور التقليدي.
- لا يمكنه التعامل مع الفولتية العكسية العالية.
- لديها إغلاق أعلى وعقد الحجم الحالي.
تطبيقات ثايرستورGTO
نظرًا لخصائص التبديل الفائقة وإمكانيات إيقاف التشغيل دون الحاجة إلى دائرة تبديل، يُفضل GTO على الثايرستور التقليدي في التطبيقات المختلفة، بعض هذه التطبيقات لثايرستور GTO مذكورة أدناه:
- يتم استخدامه في محركات التيار المتردد عالية الأداء وكذلك محركات التيار المستمر .
- يتم استخدامه في VFD (محرك التردد المتغير) بتردد قابل للتعديل.
- يتم استخدامه في محولات DC-to-AC أو DC-to-DC.
- يتم استخدامه في مروحيات العاصمة.
- يتم استخدامه في العاكسون .
- يتم استخدامه في أنظمة HVDC .
- يتم استخدامه في التدفئة التعريفي.
- يتم استخدامه لإمدادات الطاقة AC/DC عالية الطاقة .
مراجع
المفتاح السيليكونى ذو بوابة الإطفاء
What is GTO? Types, Construction, Working and Applications
Gate Turn Off Thyristor