GTO (GATE TURN-OFF: KAPIDAN SÖNDÜRMELİ) TRİSTÖRLERİN KULLANILDIĞI GÜÇ ANAHTARLARININ BUGÜNÜ VE GELECEĞİ

Elek. Y ük. Müh. Nurettin ABUT Elek. Müh. Üzeylr AKÇA

Kapıdan söndürülen GTO tristörler, normal tristörler gibi kapı devrelerinden verilen bir kesin vurum (impuls) akı mıyla tetiklenirler. Fakat kapıya, ters yönde bir akım uy gulandığından bu keskin vurum (impuls) akımının etki siyle kesime giderler. Normalde tristörler, komutasyon gerilimiyle Anot Katot arasına etki ettirilerek kesime so kulurlar. Yani tristör iletimde iken, iletim gerilimine eşit veya bu gerilimden biraz büyük bir gerilim ters yönte anot katot arasına uygulandığında tristör kesime gider. Buna zorlamalı komutasyon da denir. GTO tristörlerde bu komutasyon yerine, Gate Anot arasına negatif bir gerilim uygulanarak kesime sokulur.

Günümüzde kullanman normal tristörlerin yerini, artık her alanda GTO tristörleri almaya başlıyor. Birkaç 100 KW güce kadar olan devrelerde güç şalteri olarak kullanıla bilirler, örneğin 2500 V ve 600 A'de çalışan bir GTO tris törünün kapı devresine 150 A'lik bir negatif akım keskin vurumu (impulsu) uygulandığında tristörü kesime sok maktadır. Bu tristörler de aslında, normal tristörlerin ge liştirilmesinden bu yana vardır. Fakat son zamanlarda GTO tristörlerinin kullanım kapasiteleri ve işlevleri geliş tirilerek, dönüştürücüler ve anahtarlama devrelerinde yaygın olarak kullanılmaya başlandı. GTO tristörlerinin çalışma frekansı şimdilik, 2 Kv gerilimin üzerinde anah tarlama devreleri için 1 kHz dolayında sınırlandırılmıştır. GTO tristörlerinin akım yoğunluğu ve kapama geriliminin, belli bir sınırı aşmayacak şekilde korunması gereklidir. Bu değerler aşılınca ısıl etkiler de artar. Kapama gerilimi yükselince, yarıiletken içindeki akım yoğunluğu artar. Bu artış, ısı şeklinde olumsuz etkiler gösterir. GTO tristörle rinin anahtarlama karakteristikleri, normal tristörlerden bazı farklılıklar gösterir. Şekil 1'deki devreye GTO tristö

rü kesimde iken C sığacı (kondansatörü) Vk kaynak gerilimiyle şarj olur. Gate'e bir pozitif puls geldiğinde GTO tristörü iletime geçer. C sığacını (kondansatörünü)

Şekil 1'de gösterilen bir DC kıyıcı devresinde GTO tristö

rü anahtar devresi olarak kullanılmıştır. Tristör uygula

malarında en kritik durum göz önüne alınır. Örneğin Şekil

1'deki kıyıcı devresindeki GTO.2000 A lık bir akım için

kapama yapabilir.

*

A , ı . Tst. — c Tetikieme pul sı

ıJ U

Kapama

"•' T.

pulsı

\[

Şekil 1 GTO tristörünün kullanıldığı bir DC kıyıcı devresi

R seri direnci üzerinden boşaltır. Bu enerji R üzerinde ısıya dönüşür. MOS GATE'den gelen negatif bir darbe ileGTO kesime girer. C sığacı da seri diyot üzerinden do lar. Bu devreye dv/dt oranını sınırlamak için, yüke ve ge rekiyorsa söndürme devresine seri olarak bağlanır. Sön dürme devresinde harcanan güç

Ps = 1

C.Vk.f

(1)

denklemiyle hesaplanabilir. Burada f, kıyıcı işletme frekansıdır.

GTO tristörlerinin iletimdeki davranışları normal tristörler deki gibidir. Gecikme süresi ve iletime geçme zamanı, kapı akımının arttırılmasıyla yükseltilebilir. Fakat GTO' nun kapama karakteristiklerinde Şekil 2'den de görüldü ğü gibi bazı farklılıklar vardır. Negatif kapı akımı olan İGR"ye bağlı olarak kontrol edilen anot akımı, bir gecikme süresi sonunda düşmeye başlar. U'nın düşme süresi anidir. Genelde 1 u,s kadardır. Anot gerilimi, GTO kesimi sırasında, yükselmeye başlar. Anot akımı, söndürme devresi üzerinden dolaşmak isteyeceğinden, eğer sön dürme devresinde bir sınırlama şelfi varsa, Şekil 2'den görülmekte olan bir uç gerilimi üretecektir. Akım yoğun luğu arttırıp yerel ısınma oluşturacağından, bu uç gerili min büyük olması son derece zararlıdır. Bu nedenle sön dürme devresindeki sınırlama bobininin minimum olarak seçilmesi önemlidir. Anot gerilimindeki yükselme, Vk

Anot jA akını uç gerilimi

Anot

gerilimi

^ /xı1 v k

I

ıI

!1

^"

; Sönüt:

^

fY

y' akxıaı

kaynak değerine inmeden önce, söndürme devresinin rezonansına bağlı olarak biraz artar. Yani bir uç gerilimi oluşturur. Bu yükselme süresince, anot devresi; sönüm akımı gibi bir değişken akım akıtır. Bu gerilim ve sönüm akımının yükselmeleri, söndürme sığacının hacminin küçültülmesiyle azaltılabilir. Dolayısıyla (1) denklemiyie verilen Ps gücü de azalır. Bu kuramsal karakteristik değerler, Şekil 3'de, Siemens'ın ürettiği BGT S2000 A25 tipi bir GTO tristörünün üzerinde yapılan deney sırasında osiioskoptan alınan deneysel değerlerden açıkça görül mektedir. GTO tristörünün söndürme sığacının hacmi, tristörün kendisinden birkaç kat daha büyüktür. IGR ne gatif kapı akımının yükselmesi azaltılırsa, kontrol edilen IA akımı azalıp kapama süresi de azaltılmış olur. Sonuç olarak pratikte kullanılan GTO tristörleri için, işlet mede kolaylıklar sağlayacak özellikler aşağıdaki gibi özetlenebilir.

Şekil 1'deki söndürme kapasitörü, gerilim yükselme hızı nı 100 V/u.s'lik kritik gerilim yükselme hızının altında tut malıdır. Bu işlem yani yavaşlatma, söndürme kapasitörü nün iletim endüktansiyla yapılmış olur. Şekil 2 veya Şekil 3'de görülen hızlı akım artışı sonunda endüklene cek gerilim görülmektedir. Şekil 4'de de akım yoğunluğu/ gerilim'deki kapama faz çizimi ve güvenlikli işletme alanı (SOA: Safe Operation Area) gösterilmiştir. 2 rakamıyla gösterilen bölgede sığaç iletim endüktansı büyük değer dedir.

sS*"

"GH

Şekil 2. GTO kapama karakteristikleri

Zaasan

Birinci kritik faz

ikinci kritik faz

Şekil 4. GTO tristörünün kapama fazında akım yoğun luğu/gerilim diyagramı. 1 Akün düzenlemesi için SOA eğrisi 2 Düzeltilmiş SOA eğri düzlemi 3 GTO tristör akımında yaklaşık j U eğrisi

Şekil 3 125"de BGT S 2000 A 25 GTO'nun kapama ka rakteristikleri Üst anot akımı 1000 A/Div Orta kapı akımı 250 A/Div Alt anot gerilimi 500 V/Div

Hızlı kapama yapılarak akım yoğunluğunun yükselmesi sınarlanabilir. Dolayısıyla etkisi azaltılır. Şekil 1'deki devrede kapıyı kapama gerilimi olan batarya gerilimi Uo'ı uygun seçmek çok önemlidir. Batarya gerilimi, kapı ka pama gerilimi olan UGRM'B yaklaştığında, boşta kalma sü

resi kısalır. Fakat çığ süresi uzar. En kısa anahtarlama süresi, 12 15 V batarya gerilimi ve 20 V'a kadar olan bir UGRM değerinde elde edilir.

Bugünkü teknolojik imkanlarla üretilmiş bir GTO tristörü Şekil 5 de görülmektedir. Anahtarlama hızı ve güç kaybı göz önüne alınarak tasarlanmıştır. Böyle bir GTO tristö rüne ait karakteristik bilgiler Tablo 1'de gösterilmiştir.

Gelecekte GTO tristörlerinde tahmin edilen gelişmeler ise; katod yapısının daha da arıtılmasıyla yanıt süresi daha uygun ve elverişli sınırlara ulaşacaktır. Toplayıcı bir MOS gate, MOSFET'lerde olduğu gibi basit şekilde tristörü tetikteme veya kapamaya sokabilir. Bu düşün celer araştırma aşamasındadır. Söndürme sığacımn hacmini küçültmek ve kayıpları minimum yapmak başta gelen amaçlardan biridir. Bugün var olan birçok GTO tristörü ve anoda bloke sığaç üzerinde çalışmalar ya pılmaktadır.

Tablo 1 BGTS2000 A 25 GTO tristörü verileri

Statik Veriler

Dinamik Veriler

U D R M 2 (2)

URRM

UDOP

UT

m

UGRM 'TGO dU/dt (2,3)

2500 V 2500 V 2000 V 2,9 V 22 V 2000 A 1000 V/U.S

G C

UDSP (4)

t •sız VVskap (5)

6 4^F 600 V 13 us 1.0 u.s 250 A 1,5 Ws

d)|=2000 A T:=125 •C(3)Telikleme(:M ) U D R M < 5 ) ıUB=1250V (2) Kapı gerilimi •5V<4>dlg/dt40A/|is

Teknolojik gelişmeler yeni bir tristör ailesini ortaya çı karmıştır. Büyük oranda dikkate değer hız, azaltılmış ka yıplar ve kolay sürme imkanları geliştirilmektedir. İşletme frekans sınırı arttırılarak birkaç kHz'e kadar çıkmıştır.

Önemli bir özellik de normal tristörlerdeki zorlamalı ko mutasyon devrelerinde bulunan dönüştürücülere gerek kalmamasıdır. Dolayısıyla boyutlar küçülür ve maliyet de azalmış olacaktır.

Şekil 5. BGT S 2000 A 25 GTO tristörünün fiziksel boyutları

Referanslar

1 BECHTELER, M. "GTO Thyristors Power svvitches for Today and Tomorrovv" Siemens Components Volume XXII February 1987 pp 24 to 26

2 BOSE, B.K. "Power Electronics And AC drives" Printice Hail, Englevvood Cliffs, New Jersey 1986

3 NAKAGAVVA, A., OHASHİ, H. "A Study on GTO Turn off Failure Mechanism A Time and Temperature, Dependent I D Model Analysis" IEEE Trans. on ED. Vol. ED 31. No.3 March 1984 pp 273 to 279