Gate turn-off thyristor


Gate turn-off thyristor

Thyristor GTO

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Le Thyristor GTO (ou plus simplement GTO), de l'anglais Gate Turn-Off Thyristor, c’est-à-dire thyristor blocable par la gâchette, est un interrupteur électronique utilisé dans les dispositifs de forte puissance de l'électronique de puissance.

Le HDGTO (Hard Driven GTO : GTO à commande dure), plus connu sous le nom de GCT (Gate-Commutated Thyristor) ou IGCT (Integrated GCT), est une évolution « moderne » du GTO, permettant un fonctionnement sans circuit d'aide à la commutation.

Les applications usuelles du GTO sont les onduleurs, redresseurs et hacheurs pour la vitesse variable et la conversion d'énergie, mais aussi les FACTS.

Symboles usuels du GTO

Sommaire

Fonctionnement

Schéma équivalent du GTO

Le GTO est un composant électronique dont la mise en conduction et le blocage sont commandés. C'est l'un des interrupteurs commandés de l'électronique de puissance pour les applications concernant les fortes tensions (quelques kV) et les forts courants (quelques kA). Son usage est fonctionnellement similaire à celui d'un transistor utilisé en commutation. Il est d'ailleurs directement en concurrence avec l'IGBT pour ces applications.

Mise en conduction

Pour mettre en conduction un GTO, il faut injecter un courant de quelques ampères dans la gâchette. Comme un thyristor et contrairement à un transistor, sa mise en conduction s'auto-verrouille, il ne possède donc pas de zone de fonctionnement linéaire.

Toujours comme un thyristor, le GTO se bloque si le courant d'anode s'annule. C'est pourquoi, dans la majorité des applications, on maintient le courant de gâchette pendant toute la phase de conduction désirée.

Blocage

Pour bloquer un GTO, il faut détourner la quasi-totalité du courant d'anode dans la gâchette, afin d'annuler le courant de base du transistor côté cathode et de bloquer celui-ci. L'électronique de commande de gâchette doit donc être capable d'absorber quelques centaines à quelques milliers d'ampères selon le calibre du GTO.

Une fois la séquence de blocage démarrée (par application d'une tension négative sur la gâchette), il ne faut en aucun cas l'arrêter avant qu'elle ne soit entièrement terminée (risque de casse du composant). Il y a donc un temps minimal de blocage (typiquement 100µs), ce qui est l'une des limitations en fréquence de commutation du GTO.

Circuits d'aide à la commutation

Circuit d'aide à la commutation.

Un GTO « classique » est limité :

  • en vitesse de croissance du courant à la mise en conduction (dI/dt typique: 300A/µs),
  • en vitesse de croissance de la tension au blocage (dV/dt typique: 400V/µs),
  • et comme tout composant, en tension crête instantanée (valeur selon le calibre).

Pour respecter ces contraintes, on aura généralement besoin:

  • d'un circuit inductif en série,
  • d'un circuit capacitif en parallèle,
  • d'un circuit d'écrêtage de la tension en parallèle.

Ceci a généralement pour conséquence d'augmenter les pertes globales du système. Néanmoins, il est possible de concevoir des schémas à récupération d'énergie pour améliorer le rendement.

Le HDGTO peut supporter des dV/dt bien plus importants et peut donc fonctionner sans le circuit capacitif.

Structure

Vue en coupe

Le GTO est structurellement identique à un thyristor, donc muni de 3 électrodes :

Il est composé de quatre couches dopées alternativement P, N, P, N.

La différence principale avec un thyristor est que la gâchette est fortement interdigitée, c'est-à-dire divisée en un réseau de mini-gâchettes distribuées sur toute la puce, afin de permettre une extraction uniforme du courant lors du blocage.

Technologie

GTO en boîtier press-pack (calibre 1600A)

Les GTO, comme les gros thyristors, sont réalisés sous la forme de grandes puces monolithiques en forme de disque (jusqu'à 125 voire 150 mm de diamètre[1]).

Ils sont généralement encapsulés dans des boîtiers en céramique, qui doivent être pressés entre deux dissipateurs thermiques, lesquels assurent aussi les contacts électriques d'anode et de cathode (en anglais: press-pack). Ces boîtiers ont une faible résistance thermique, et sont bien adaptés au refroidissement à l'eau. Ils se prêtent aussi très bien à la construction de piles de composants en série.

Gammes et usages

On trouve les GTO et les GCT en trois « saveurs » :

  • les GTO symétriques supportent la même tension dans les deux sens (Vak-max ≈ Vka-max);
  • les GTO asymétriques, les plus courants, ne supportent la tension que dans le sens Vak, et doivent donc être utilisés avec une diode anti-parallèle (diode de roue libre);
  • les GTO à conduction inverse (anglais: reverse-conducting GTO), sont en fait des GTO asymétriques dont la diode de roue-libre est intégrée sur la même puce.

Les GTO asymétriques sont utilisés dans les onduleurs de tension, de la même façon que les IGBT. Les GTO symétriques peuvent être utilisés dans les onduleurs de courant, les contacteurs statiques, etc.

Actuellement il n'existe plus sur le marché que trois gammes de tension – 2500V, 4500V et 6000V –, pour des courants commutables d'environ 600A jusqu'à 6000A.

Principaux fabricants

Notes et références

  1. Par exemple, un GTO de 5 pouces (127mm de diamètre pour la puce) de Mistubishi.

Voir aussi

  • Portail de l’électricité et de l’électronique Portail de l’électricité et de l’électronique
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