GTO-Thyristor

Der GTO-Thyristor (engl.: Gate Turn-Off Thyristor) ist ein Thyristor, der wie ein normaler Thyristor mit einem positiven Stromimpuls am Steuereingang – dem Gate – eingeschaltet werden kann. Im Gegensatz zum normalen Thyristor kann er mittels eines negativen Stromimpulses (der bis zu einem Drittel des Laststroms beträgt) auch ausgeschaltet werden.

GTO-Thyristor-Symbol

Unterschiede zum normalen Thyristor

Wie dem Ersatzschaltbild zu entnehmen ist, besteht im grundsätzlichen Aufbau kein Unterschied zu einem herkömmlichen Thyristor. Vielmehr besteht der Unterschied zu einem normalen Thyristor in der Fertigung, also der geometrischen Anordnung der Komponenten auf dem Silizium. In der Schnittdarstellung ist die Parallelschaltung von vielen einzelnen Thyristoren ersichtlich.

Ersatzschaltung

Schnittdarstellung

Technologie

Grundsätzlich wäre es möglich, auch einen normalen Thyristor mit einem negativen Stromimpuls am Gate auszuschalten. Ein Thyristor würde jedoch durch den negativen Gatestrom nur zu „lokalisieren“ beginnen, das heißt, dass die Siliziumfläche, in der ein Stromfluss möglich ist, verkleinert wird. Dabei würde die übrig bleibende stromführende Fläche überlastet werden und sich selbst zerstören.

Ein GTO-Thyristor wird also im Allgemeinen in so kleine einzelne parallel geschaltete Thyristoren aufgeteilt, dass jeder einzelne Thyristor nicht mehr die Möglichkeit hat zu lokalisieren, sondern abschalten muss. Bei den Parallelschaltungen besteht jedoch weiterhin die Schwierigkeit, dass alle gleichzeitig ausschalten, da sonst derselbe Zerstörungseffekt auftritt wie bei herkömmlichen Thyristoren.

Eigenschaften

Die Einschaltzeit der GTO wird durch die Parallelschaltung im Vergleich zum normalen Thyristor sogar noch verbessert, er wird daher auch dort eingesetzt, wo schnelle Einschaltzeiten erforderlich sind, z. B. bei Radaranlagen. Durch das Aufkommen der FETs wurde er in diesen Bereichen jedoch nahezu komplett ersetzt. Der größte Nachteil der GTOs ist die aufwändige Beschaltung des Gate-Anschlusses. Zusätzlich zu der Tatsache, dass der Strom am Gate in beide Richtungen fließen kann und in negativer Richtung auch noch sehr groß wird (die Abschaltstromverstärkung ist sehr klein, so dass der Abschaltstrom bis zu einem Drittel des Laststromes betragen muss), muss der Strom begrenzt werden, um eine Zerstörung zu vermeiden.

Die Thyristoren, welche für hohe Ströme an sich relativ klein sein können, brauchen je nach Anwendung eine ganze Kondensatorbatterie, um die hohen Ströme zur Ausschaltung bereit zu stellen. Der Volumenbedarf dieser Kondensatoren ist ein Vielfaches des eigentlichen GTO.

GTO-Thyristor für 1,6 kA

Durch die langen Ausräumzeiten für die Abschaltung ist die Schaltfrequenz zudem auf ca. 1 kHz begrenzt.

Typische technische Parameter

Vorwärtsspannung	UF	vor Zündung 50 V bis 5 kV
		nach Zündung 0,6 V bis 3 V
Vorwärtsstrom	IF	bis 3 kA
Rückwärtsspannung	UR	bis 5 kV

Einsatzzwecke

GTO-Thyristoren werden in Stromrichtern für diverse Zwecke eingesetzt, insbesondere in der Leistungselektronik und der Traktionstechnik für elektrische Fahrzeuge. Heute werden sie jedoch immer mehr durch IGBTs verdrängt und werden nur noch bei sehr hohen Leistungen eingesetzt.

Weiterentwicklungen

• IGC-Thyristor (Integrated Gate Commutated Thyristor)
• MTO-Thyristor
• MC-Thyristor (MOS Controlled Thyristor)

Weblinks

 Commons: Gate turn-off thyristors – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik. Vorlesungsskript Leistungselektronik und Stromrichtertechnik I der Universität Bremen
• Thomas Tille, Doris Schmitt-Landsiedel: Mikroelektronik. Halbleiterbauelemente und Deren Anwendung in Elektronischen Schaltungen Springer Verlag, 2004, ISBN 9783540204220