게이트 턴 오프 사이리스터
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1. 개요
게이트 턴 오프 사이리스터(GTO)는 게이트 신호를 통해 켜고 끌 수 있는 사이리스터로, 일반 사이리스터와 달리 음극성 게이트 신호로 턴오프가 가능하다. GTO는 턴온 시 양의 전류 펄스를, 턴오프 시 음의 전압 펄스를 가하여 작동하며, 턴오프를 돕기 위해 여러 개의 작은 사이리스터 셀을 병렬로 연결하는 구조를 가진다. 주요 응용 분야는 가변속도 모터 드라이브, 고출력 인버터 등이며, 과거에는 철도 차량에도 널리 사용되었으나, 스너버 회로의 필요성, 긴 테일 시간으로 인한 낮은 스위칭 주파수, 큰 게이트 전류 등의 단점으로 인해 2000년대 이후 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 대체되는 추세이다.
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| 게이트 턴 오프 사이리스터 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 능동 소자 |
| 발명 | 제너럴 일렉트릭 |
| 기호 | 130px |
| 핀 | 애노드 게이트 캐소드 |
| 기본 정보 | |
| 이름 | 게이트 턴 오프 사이리스터 (GTO) |
2. 구조 및 원리
GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터는 일반 사이리스터(실리콘 제어 정류기)와 달리 게이트 신호를 통해 전류를 차단(turn-off)할 수 있는 소자이다. 일반 사이리스터는 게이트 신호로 켜는 것만 가능하지만, GTO는 게이트 신호로 켜고 끌 수 있다.
GTO 사이리스터는 1977년 유도전동기 구동용 인버터의 스위칭 소자로 처음 사용된 이후 널리 사용되었으나, 최근에는 IGBT에 의해 대체되고 있다. GTO는 턴오프 시 스파이크 전압 완화를 위한 스너버 회로가 필요하고, 턴오프 후 전압 안정화 시간(테일 시간)이 길어 스위칭 주파수를 높이기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 턴오프를 위한 게이트 전류가 커서 소비 전력과 발열이 크다.
일반적인 사이리스터를 정격의 1/10 정도로 사용하는 영역에서는 GTO 사이리스터처럼 마이너스 게이트 신호로 턴오프하는 것이 가능하다.
''분산 버퍼 게이트 턴오프 사이리스터''(DB-GTO)는 드리프트 영역에 추가적인 PN 층을 사용하여 전계 프로파일을 재구성하고 오프 상태에서 차단되는 전압을 높이는 사이리스터이다. 기존 사이리스터의 PNPN 구조와 비교하여 DB-GTO 사이리스터는 PN-PN-PN 구조를 갖는다.
2. 1. 기본 구조
일반 사이리스터(실리콘 제어 정류기)는 게이트 신호로 켜는 것만 가능하지만, GTO 사이리스터는 음극성 게이트 신호를 통해 끌 수 있다. 턴온은 게이트와 음극 단자 사이에 양의 전류 펄스를 가함으로써 수행된다. 게이트-음극은 PN 접합처럼 동작하므로 단자 사이에 비교적 작은 전압이 존재한다. 턴오프는 게이트와 음극 단자 사이에 음의 전압 펄스를 가함으로써 수행된다. 순방향 전류의 일부가 '빼앗겨' 음극-게이트 전압을 유도하는 데 사용되며, 이는 순방향 전류를 감소시키고 GTO를 끈다.GTO 사이리스터는 긴 스위치 오프 시간으로 인해 어려움을 겪는다. 순방향 전류가 감소한 후에도 장치의 남은 전하가 모두 제거될 때까지 잔류 전류가 계속 흐르는 긴 테일 시간이 있다. 그러나 GTO의 턴오프 시간은 비교 가능한 SCR보다 약 10배 빠르다.[2]
턴오프 프로세스를 지원하기 위해 GTO 사이리스터는 일반적으로 병렬로 연결된 많은 수(수백 또는 수천 개)의 작은 사이리스터 셀로 구성된다.
GTO 사이리스터는 사이리스터의 음극 전극을 여러 개의 섬으로 나누고, 그 주위를 게이트 전극으로 둘러싸는 구조를 갖는다. 이를 통해 음의 게이트 전류를 흘렸을 때 양극-음극 간의 캐리어 전류가 쉽게 제거되도록 개선되었다. 다시 말해, 소전류의 사이리스터가 다수 병렬로 연결된 것이다.
2. 2. 동작 원리
GTO는 게이트 신호로 켜고 끌 수 있는 사이리스터이다.턴온은 게이트와 캐소드 단자 사이에 양의 전류 펄스를 가하여 이루어진다. 게이트-캐소드는 PN 접합처럼 동작하므로 단자 사이에 비교적 작은 전압이 존재한다. 그러나 GTO의 턴온 현상은 SCR(사이리스터)만큼 신뢰할 수 있는 것은 아니며, 신뢰성을 높이기 위해 턴온 후에도 작은 양의 게이트 전류를 유지해야 한다.[2]
턴오프는 게이트와 캐소드 단자 사이에 음의 전압 펄스를 가하여 이루어진다. 순방향 전류의 일부(약 1/3~1/5)가 ''빼앗겨'' 캐소드-게이트 전압을 유도하는 데 사용되며, 이는 순방향 전류가 감소하게 하고 GTO가 꺼지는(''차단'' 상태로 전환) 현상을 유발한다.[2]
GTO 사이리스터는 긴 스위치 오프 시간으로 인해 어려움을 겪는다. 순방향 전류가 감소한 후에도 장치의 남은 전하가 모두 제거될 때까지 잔류 전류(테일 전류)가 계속 흐르는 긴 테일 시간이 있다. 이는 최대 스위칭 주파수를 약 1kHz로 제한한다. 그러나 GTO의 턴오프 시간은 비교 가능한 SCR보다 약 10배 빠르다.[2]
턴오프 과정을 돕기 위해 GTO 사이리스터는 일반적으로 병렬로 연결된 많은 수(수백 또는 수천 개)의 작은 사이리스터 셀로 구성된다.[2]
| 특성 | 설명 | 사이리스터 (1600V, 350A) | GTO (1600V, 350A) |
|---|---|---|---|
| VT on | 온상태 전압 강하 | 1.5V | 3.4V |
| ton, Ig on | 턴온 시간, 게이트 전류 | 8μs, 200mA | 2μs, 2A |
| toff | 턴오프 시간 | 150μs | 15μs |
2. 3. 일반 사이리스터(SCR)와의 비교
GTO는 게이트 신호로 켜고 끌 수 있다는 점에서 일반 사이리스터(실리콘 제어 정류기, SCR)와 다르다. 일반 사이리스터는 게이트 신호로 켤 수만 있고, 끄기 위해서는 전류가 특정 값 이하로 떨어지거나 단자에 역전압을 가해야 한다.GTO의 턴온 동작은 게이트와 음극 단자 사이에 양의 전류 펄스를 가하는 방식으로 이루어진다. 게이트-음극은 PN 접합처럼 동작하므로 단자 사이에 비교적 작은 전압이 존재한다. 그러나 GTO의 턴온은 SCR만큼 신뢰성이 높지 않아서, 턴온 후에도 작은 양의 게이트 전류를 유지해야 한다.
턴오프는 게이트와 음극 단자 사이에 음의 전압 펄스를 가하여 이루어진다. 순방향 전류의 일부(약 1/3~1/5)를 빼앗아 음극-게이트 전압을 유도하고, 이로 인해 순방향 전류가 감소하면서 GTO가 꺼진다.
GTO 사이리스터는 긴 스위치 오프 시간 때문에 어려움을 겪는다. 순방향 전류가 감소한 후에도 장치에 남은 전하가 모두 제거될 때까지 잔류 전류가 흐르는 긴 테일 시간이 존재한다. 이 때문에 최대 스위칭 주파수는 약 1kHz로 제한된다. 그러나 GTO의 턴오프 시간은 SCR보다 약 10배 빠르다.[2]
GTO 사이리스터는 턴오프를 돕기 위해 보통 병렬로 연결된 수백, 수천 개의 작은 사이리스터 셀로 구성된다.
| 특성 | 설명 | 사이리스터 | GTO |
|---|---|---|---|
| VT on | 온상태 전압 강하 | 1.5V | 3.4V |
| ton, Ig on | 턴온 시간, 게이트 전류 | 8μs, 200mA | 2μs, 2A |
| toff | 턴오프 시간 | 150μs | 15μs |
게이트 턴 오프 사이리스터(GTO)는 1977년 유도전동기를 구동하는 인버터의 스위칭 소자로 처음 사용된 이후 산업 분야와 전기철도 등에 널리 사용되었다. 1992년 도카이여객철도(JR도카이) 신칸센 300계 전동차에 도시바의 VVVF-GTO 인버터가 채용되기도 했다. 그러나 2000년대 이후 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)에 그 자리를 내주고 있다.
3. 특징 및 장단점
GTO는 일반 사이리스터(SCR)보다 턴오프 시간이 약 10배 빠르다는 장점이 있다. 하지만 IGBT 등 다른 전력 반도체 소자에 비해 몇 가지 단점도 가지고 있다. 일본에서는 최성기에 여러 회사에서 GTO를 제조 및 상품화했지만, 현재는 모두 생산을 종료했다.
3. 1. 단점
3. 2. 장점
GTO 사이리스터는 일반 사이리스터(SCR)보다 턴오프 시간이 약 10배 빠르다는 장점이 있다.[2] 이는 GTO가 게이트 신호로 턴온될 뿐만 아니라 음극성 게이트 신호로 턴오프될 수 있기 때문이다. 일반 사이리스터는 게이트 신호로 턴온되지만, 턴오프를 위해서는 별도의 조건(단자에 역전압 인가 또는 순방향 전류 감소)이 필요하다.
다음은 동일 등급의 SCR과 GTO의 특성을 비교한 표이다.
| 특성 | 설명 | 사이리스터 (1600V, 350A) | GTO (1600V, 350A) |
|---|---|---|---|
| VT on | 온상태 전압 강하 | 1.5V | 3.4V |
| ton, Ig on | 턴온 시간, 게이트 전류 | 8μs, 200mA | 2μs, 2A |
| toff | 턴오프 시간 | 150μs | 15μs |
표에서 볼 수 있듯이, GTO는 턴오프 시간(''t''off)이 15μs로, 사이리스터의 150μs보다 훨씬 짧다.
4. 종류
게이트 턴 오프 사이리스터(GTO, Gate Turn-Off thyristor)는 역방향 차단 기능 유무에 따라 구분된다. 역방향 차단 기능은 긴 저 도핑 P1 영역이 필요하기 때문에 순방향 전압 강하를 증가시킨다. 역전압 차단이 불가능한 GTO는 비대칭형 GTO보다 일반적으로 더 많이 사용된다.
4. 1. 대칭형 GTO (S-GTO)
역방향 차단이 가능한 게이트 턴오프 사이리스터는 대칭형 GTO(Symmetrical GTO thyristor, S-GTO)라고도 한다. 일반적으로 순방향 차단 전압 정격과 역방향 차단 전압 정격은 같다. 대칭형 GTO는 주로 전류원 인버터에 사용된다.[1]4. 2. 비대칭형 GTO (A-GTO)
비대칭형 GTO(Asymmetrical GTO, A-GTO)는 역방향 차단 기능이 없거나 낮으며, 대칭형 GTO보다 일반적으로 더 많이 사용된다. A-GTO는 일반적으로 수십 볼트의 역방향 돌파 전압 정격을 갖는다. A-GTO 사이리스터는 역전도 다이오드가 병렬로 적용되는 경우(예: 전압원 인버터) 또는 역전압이 발생하지 않는 경우(예: 스위칭 전원 공급 장치 또는 직류 견인 쵸퍼)에 사용된다.4. 3. 역전도 GTO (RCGTO)
게이트 턴오프 사이리스터는 동일한 패키지에 역전도 다이오드를 포함하여 제작될 수 있다. 이러한 소자를 역전도 게이트 턴오프 사이리스터(Reverse Conducting GTO thyristor, RCGTO)라고 한다.5. 응용 분야
GTO는 과거 유도전동기를 구동하는 인버터의 스위칭 소자 등으로 널리 사용되었으나, 현재는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 등으로 대체되고 있다. GTO는 직접 게이트 정류 사이리스터(IGCT)와 IGBT로 점차 대체되었으며, 일본에서는 현재 생산이 중단되었다.
5. 1. 과거 주요 응용 분야
1977년 유도전동기를 구동하는 인버터의 스위칭 소자로 처음 사용된 이후 산업 분야 및 전기철도 등에 널리 사용되었다. 특히 1992년에 운행을 시작한 도카이여객철도(JR도카이)의 신칸센 300계 전동차는 도시바사의 VVVF-GTO 인버터를 채택하기도 했다. 주요 응용 분야는 가변 속도 모터 드라이브, 고출력 인버터 및 궤도였다. 형광등 시동 회로에도 사용되었다.그러나 2000년대 이후 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)에 그 자리를 내주게 되었는데, 그 이유는 다음과 같다.
- 턴오프 시 애노드-캐소드 사이에 일시적으로 발생하는 스파이크 전압을 완화하기 위한 다이오드, 저항기, 콘덴서를 이용한 추가 회로(스너버 회로)가 필요하여 회로가 복잡하다.
- 턴오프 후 애노드-캐소드 사이의 전압이 완전히 안정될 때까지의 시간(테일 시간)이 트랜지스터보다 길어 스위칭 주파수를 가청 영역(사람의 귀로 들을 수 있는 영역)보다 높이기 어렵다. 따라서 GTO 소자로 모터의 회전수나 토크를 제어할 경우, 스위칭에 의해 모터에서 발생하는 소음이 크게 느껴진다.
- 턴오프를 위한 게이트 전류가 커서 (트랜지스터는 수십~수천분의 1) 게이트 전류가 전부 열손실이 되므로 소비 전력과 발열이 발생한다.
이러한 이유로 GTO는 점차 직접 게이트 정류 사이리스터(IGCT)와 IGBT로 대체되었으며, 일본에서는 최성기에 여러 회사에서 제조 및 상품화했지만 현재는 모두 생산을 종료했다.
6. 한국에서의 사용 사례
GTO 사이리스터는 한국의 철도 차량 등에 사용되었다.
6. 1. 철도 차량
| 차량 | 노선 및 운영 주체 |
|---|---|
| 한국철도공사 8200호대 전기기관차 | |
| 한국철도공사 311000호대 전동차 | 1호선 |
| 한국철도공사 3000호대 전동차 | 3호선 |
| 한국철도공사 341000호대 전동차 | 4호선 |
| 한국철도공사 351000호대 전동차 | 수인·분당선 |
| 대구교통공사 1000호대 전동차 | |
| 서울교통공사 1000호대 VVVF 전동차 | 1호선 |
| 서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차 | 4호선 |
| 서울교통공사 5000호대 전동차 | 5호선 |
| 서울교통공사 7000호대 전동차 | 7호선 |
| 서울교통공사 8000호대 전동차 | 8호선 |
| 신칸센 300계 전동차 | 도카이여객철도 |
| 신칸센 500계 전동차 | 서일본여객철도 |
7. 제조 회사
참조
[1]
서적
Understanding FACTS
IEEE Press
[2]
웹사이트
Gate Turn off Switch
http://www.circuitst[...]
2009-09-17
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