Hilalta sammutettava tyristori

Hilalta sammutettava tyristori (GTO) on tyristorin erikoistyyppi ja suuritehoinen puolijohdekoje. Se keksittiin General Electric -yhtiössä.  Toisin kuin tavalliset tyristorit, hilalta sammutettavat tyristorit ovat täysohjattuja kytkimiä, jotka voidaan kytkeä päälle ja sammuttaa kolmannella kohtiollaan eli hilakohtiolla.

Kojeen kuvaus 

Tavalliset tyristorit (piillä ohjatut tasasuuntaajat) eivät ole täysohjattuja kytkimiä (täysohjattu kytkin voidaan kytkeä päälle ja pois tarvittaessa). Tyristorit voidaan kytkeä ainoastaan päälle hilakohtiota käyttäen, mutta niitä ei voi sammuttaa sillä. Tyristorit kytketään päälle hilavirralla, mutta vaikka hilavirta katkaistaan, tyristori pysyy päällä kunnes sammumisen ehto täyttyy (pienentämällä kohtioiden välistä jännitettä tai vaihtoehtoisesti pienentämällä etuvirta tiettyä raja-arvoa eli pitovirtaa pienemmäksi). Tyristori käyttäytyy siis samoin kuin tavallinen puolijohdediodi sen jälkeen, kun se on kytketty päälle. 

Hilalta sammutettava tyristori voidaan kytkeä päälle hilavirralla, ja se voidaan myös sammuttaa negatiivisella hilavirralla. Käynnistettäessä käytetään positiivista virtasykäystä hilan ja katodin välillä. Koska hila-katodi toimii pn-rajapintana, kohtioiden välillä on suhteellisen pieni jännite. Hilalta sammutettavan tyristorin käynnistys ei ole ilmiönä kuitenkaan yhtä luotettava kuin perinteisen tyristorin käynnistys, ja pientä hilavirtaa pitää ylläpitää päälle kytkemisen jälkeenkin luotettavuuden parantamiseksi. 

Sammuminen aikaansaadaan negatiivisella jännitesykäyksellä hilan ja katodikohtioiden välillä. Osa etuvirrasta (noin yhdestä kolmasosasta yhteen viidesosaan) "varastetaan" ja käytetään katodin ja hilan välisen jännitteen aikaansaamiseksi, mikä aiheuttaa ajoittain etuvirran putoamisen, jolloin hilalta sammutettava tyristori sammuu siirtyen estotilaan. 

Hilalta sammutettavat tyristorit kärsivät pitkistä sammumisajoista, joten etuvirran putoamisen jälkeen on pitkä viive, jolloin jäännösvirta jatkaa virtaamistaan kunnes koko kojeen jäljellä ollut varaus on purkautunut. Tämä rajoittaa enimmäiskytkentätaajuuden arvoon 1 kHz. On kuitenkin huomioitava, että hilalta sammutettavan tyristorin sammumisaika on noin kymmenen kertaa lyhyempi kuin vastaavalla perinteisellä tyristorilla. Sammumisen edistämiseksi hilalta sammutettavat tyristorit rakennetaan yleensä suuresta määrästä (sadoista tai tuhansista) pienistä tyristorikennoista, jotka kytketään rinnan.   

Saman ohjearvon perinteisen- ja hilalta sammutettavan tyristorin vertailu

Jaetun puskurin hilalta sammutettava tyristori (DB-GTO) on tyristori, jossa on ylimääräisiä PN-kerroksia rajapinnan alueella sähkökentän profiilin uudelleen muotoilemiseksi ja estotilan estämän jännitteen kasvattamiseksi. DB-GTO-tyristorissa on PN-PN-PN-rakenne tavanomaisen PNPN-rakenteen asemesta.

Vastajännitteen estokyky 
Hilalta sammutettavia tyristoreja on saatavilla vastajännitteen estokyvyllä ja ilman. Vastajännitteen estokyky saa etujännitteen putoamaan johtuen pitkän ja ohuen P1-alueen tarpeesta. 

Hilalta sammutettavia tyristoreja vastajännitteen estokyvyllä kutsutaan symmetrisiksi hilalta sammutettaviksi tyristoreiksi (S-GTO). Tavallisesti vastajännitteen eston ja etujännitteen eston ohjearvot ovat samat. Symmetristen hilalta sammutettavien tyristoreiden tyypillisenä sovelluksena on virtalähteen vaihtosuuntaaja. 

Vastajännitteen estokyvyttömiä hilalta sammutettavia tyristoreita kutsutaan epäsymmetrisiksi hilalta sammutettaviksi tyristoreiksi (A-GTO), ja ne ovat symmetrisiä yleisempiä. Niissä on tyypillisesti vastajännitteestä johtuvan hajoamisen ohjearvo kymmenissä volteissa. Epäsymmetrisiä hilalta sammutettavia tyristoreita käytetään, kun joko vastavirtaa johtava diodi on kytketty rinnan (esimerkiksi jännitelähteiden vaihtosuuntaajisissa) tai kun vastajännitettä ei ole missään tilanteessa (esimerkiksi hakkuriteholähteissä). 

Hilalta sammutettavia tyristoreja voidaan valmistaa yhdistettynä vastajännitettä johtavaan diodiin. Näistä käytetään lyhennettä RGGTO eli vastajännitettä johtava hilalta sammutettava tyristori.

Turvallinen toiminta-alue 
Toisin kuin eristehilatransistoreissa (IGBT), hilalta sammutettava tyristori vaatii ulkoisia kojeita (virtapiirin vaimentimia) muokkaamaan käynnistys- ja sammutusvirtoja ehkäistäkseen kojeen tuhoutumista. 

Käynnistyksen aikana dl:n/dt:n enimmäisarvo rajoittaa virran kasvua. Tämä mahdollistaa sen, että koko koje saavuttaa virran päälle kytkeytymisen jälkeen ennen kuin täysi virta saavutetaan. Jos tämä ohjearvo ylitetään, hilan kohtiota lähin alue ylikuumenee ja sulaa ylivirran vuoksi. Dl:n/dt:n arvoa ohjataan tavallisesti kyllästetyllä kuristimella (käynnistyksen vaimentimella), vaikka dl/dt ei olekaan yhtä vakava rajoite hilalta sammutettavissa tyristoreissa kuin tavallisissa tyristoreissa johtuen hilalta sammutettavan tyristorin rinnankytkettyjä tyristoreja sisältävästä rakenteesta. Kyllästetyn kuristimen palautuminen alkutilaan määrittää yleensä pienimmän mahdollisen aikavaatimuksen hilalta sammutettaviin tyristoreihin perustuvissa virtapiireissä. 

Etujännitettä täytyy rajoittaa sammutuksen aikana sähkövirran katkeamiseen asti. Rajoitus on tavallisesti noin 20% etuestojännitteen ohjearvosta. Jos jännite nousee sammutuksessa liian nopeasti, koje ei sammu kokonaan ja hilalta sammutettava tyristori vikaantuu, usein räjähtäen, mikä johtuu suuresta jännitteestä ja virran kohdistumisesta pieneen kojeen osaan. Kojeen ympärille asennetaan huomattavasti virtapiirin vaimentimia rajoittamaan jännitteen nousua sammutuksessa. Virtapiirin vaimentimen palautuminen alkutilaan määrittää yleensä pienimmän mahdollisen aikavaatimuksen hilalta sammutettaviin tyristoreihin perustuvissa virtapiireissä. 

Pienin mahdollinen käynnistys- ja sammutusaika saavutetaan tasavirtakoneen hakkurivirtapiireissä käyttämällä vaihtuvaa kytkentätaajuutta matalimmissa ja korkeimmissa pulssisuhteissa. Tämä on huomionarvoista vetävissä käyttökohteissa, joissa taajuus nousee nopeasti moottorin käynnistyessä, sitten se pysyy vakiona useimpien nopeuden arvojen yli, ja sen jälkeen taajuus putoaa täydessä nopeudessa takaisin nollaan.

Käyttökohteita 
Tärkeimpiä käyttökohteita ovat muuttuvan nopeuden moottorikäytöt, suurtehotaajuusmuuttajat ja vetomoottorit. Hilalta sammutettavat tyristorit on kasvavassa määrin korvattu yhdennetyillä hilakommutoiduilla tyristoreilla ja eristehilatransistoreilla, jotka kuuluvat transistoreiden luokkaan.

Lähteet 
Hingori, Narain G; Laszo Gyugi (2011). Understanding FACTS. India: IEEE Press. p. 41. ISBN978-81-265-3040-3
 http://www.circuitstoday.com/gate-turn-off-switch
 Shah, P.B. Electronics Letters, vol. 36, p. 2108, (2000).
 Shah, P.B., Geil, B.R., Ervin, M.E. et al. IEEE Trans. Power Elect., vol. 17, p. 1073, (2002).

Viitteet 

Puolijohdekomponentit
Kytkimet