GTO-Thyristor

Ein gewöhnlicher Thyristor hat einen großen Nachteil: Ist er einmal gezündet, lässt er sich über das Gate nicht mehr abschalten. An Wechselspannung stört das nicht, weil der Strom im Nulldurchgang von selbst verschwindet. Für einen Wechselrichter, der aus Gleichspannung einen Drehstrom für einen Bahnmotor erzeugen soll, ist es aber ein ernstes Problem. Die Antwort der 1980er-Jahre war der GTO-Thyristor (Gate Turn-Off): ein Thyristor, den ein kräftiger negativer Gate-Strom wieder ausschaltet. GTOs trieben Lokomotiven, Hochgeschwindigkeitszüge und große Industrieantriebe an. Heute sind sie weitgehend vom IGBT und vom IGCT abgelöst – aber an ihnen siehst du besonders gut, was beim Abschalten großer Ströme passiert.

Aufbau: viele schmale Kathodenfinger

Der GTO hat dieselbe Schichtfolge p-n-p-n wie jeder Thyristor. Zwei konstruktive Unterschiede machen ihn abschaltbar:

• Fein aufgeteilte Kathode: Statt einer großen Kathodenfläche besteht die Kathode aus Hunderten bis Tausenden schmaler Finger, jeder nur einige zehn Mikrometer breit. Dazwischen liegt überall der Gate-Kontakt auf der inneren p-Schicht. So kann das Gate die Ladungsträger unter jedem Finger auf kurzem Weg absaugen.
• Schwacher PNP-Teil: Im Zwei-Transistor-Modell (siehe Thyristoreffekt) wird die Stromverstärkung des PNP-Teils α₁ bewusst klein gehalten, etwa durch Kurzschlüsse zwischen Anode und n-Schicht (Anodenkurzschlüsse). Die Summe α₁ + α₂ liegt dann nur knapp über 1, und das Bauteil lässt sich leichter aus dem Einrasten herausholen.

Die Anodenkurzschlüsse haben eine Folge: Die meisten GTOs sperren in Rückwärtsrichtung nur wenige Volt. Man nennt sie asymmetrisch. In Wechselrichtern ist das kein Nachteil, denn dort liegt ohnehin eine Diode antiparallel, die den Rückstrom übernimmt.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist das des Thyristors mit einer zusätzlichen Kennzeichnung an der Gate-Leitung, die anzeigt, dass das Gate auch abschalten kann. Die Darstellung ist in Normen und Herstellerunterlagen nicht einheitlich. Beschrifte das Bauteil im Plan deshalb immer mit seinem Typ.

Ein- und Ausschalten

Einschalten funktioniert wie beim normalen Thyristor: Ein positiver Gate-Strom zündet. Weil die Kathode aus vielen Fingern besteht, muss der Zündimpuls kräftig und steil sein, damit alle Finger gleichzeitig zünden. Danach treibt die Ansteuerung meist einen kleineren Dauerstrom ins Gate, damit keiner der Finger bei kleinem Laststrom wieder ausgeht – der Haltestrom großer GTOs liegt im Bereich von Dutzenden Ampere.

Ausschalten erfordert einen negativen Gate-Strom, der einen erheblichen Teil des Anodenstroms aus der inneren p-Schicht abzieht. Damit die Mitkopplung zusammenbricht, muss der Basisstrom des NPN-Teils unter den Wert sinken, den er zum Einrasten braucht. Daraus folgt die theoretische Abschaltverstärkung:

Mit α₂ = 0,9 und α₁ = 0,2 wäre β_off = 0,9 / 0,1 = 9. In der Praxis begrenzen ungleichmäßige Stromverteilung und Erwärmung den Wert auf etwa 3 bis 5. Das Gate muss also 20 bis 35 Prozent des Laststroms abführen – bei 3000 A fast 1000 A, wenn auch nur für einige Mikrosekunden.

Der Abschaltvorgang hat drei Phasen. Während der Speicherzeit t_s saugt das Gate die gespeicherten Ladungsträger ab, der Anodenstrom fließt unverändert weiter. Dann fällt der Strom innerhalb weniger Mikrosekunden, und die Spannung steigt. Zum Schluss bleibt ein Schweifstrom, weil die Restladung in der dicken n-Schicht nur langsam verschwindet. Während des Schweifstroms liegt schon die volle Spannung an – hier entsteht ein großer Teil der Abschaltverluste.

Kennwerte eines großen GTOs

Als Beispiel dient der 5SGA 30J4502 von ABB (heute Hitachi Energy), eine Scheibenzelle für Bahnstromrichter:

Zwei Werte fallen auf. Die Abschaltverstärkung liegt bei 3000 A / 900 A ≈ 3,3. Und die Dauer-Gleichspannung ist weit kleiner als die Sperrspannung: Große Hochspannungs-Halbleiter können durch Teilchen aus der kosmischen Strahlung ausfallen, und diese Ausfallrate steigt mit der Spannung stark an.

Die Beschaltung: ohne Snubber geht es nicht

Ein GTO verträgt beim Abschalten nur eine begrenzte Spannungssteilheit. Steigt die Spannung zu schnell, während noch Strom in einzelnen Fingern fließt, zieht sich der Strom auf wenige Stellen zusammen und zerstört sie. Deshalb liegt über jedem GTO eine RCD-Beschaltung (Snubber): ein Kondensator C_S, der den Strom beim Abschalten übernimmt und den Spannungsanstieg bremst, eine Diode, über die er sich auflädt, und ein Widerstand R_S, über den er sich beim nächsten Einschalten entlädt. Wie ein RC-Glied Spannungsflanken abflacht, siehst du dort; die Energie im Kondensator folgt aus W = ½ · C · U² (siehe Kondensator an Gleichspannung).

Aus den Mindestzeiten im Datenblatt folgt eine zweite Grenze: 100 µs Mindesteinschaltzeit und 80 µs Mindestausschaltzeit erlauben rechnerisch höchstens rund 5,5 kHz – praktisch verhindern die Verluste schon viel früher höhere Frequenzen.

Bauformen

GTOs für große Leistungen sind Scheibenzellen: ein ganzer Siliziumwafer zwischen zwei Molybdän- und Kupferscheiben in einem Keramikgehäuse. Der Kontakt entsteht nur durch Anpressen; die Zelle wird mit rund 40 kN zwischen zwei Kühlkörper gespannt. Der Gate-Anschluss ist eine niederinduktive Leitung zur direkt daneben montierten Ansteuerung, denn der Abschaltstrom steigt mit 40 A/µs und mehr. Kleine GTOs in TO-220- oder TO-247-Gehäusen gab es auch; sie sind heute verschwunden, weil MOSFETs und IGBTs diese Aufgabe besser erledigen.

Nachfolger: IGCT und IGBT

Der IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) ist ein weiterentwickelter GTO mit fest angebauter Ansteuerung. Sein Trick: Beim Abschalten wird der gesamte Anodenstrom innerhalb etwa einer Mikrosekunde vollständig ins Gate umgeleitet – Abschaltverstärkung 1. Der NPN-Teil ist damit schlagartig stromlos, und das Bauteil schaltet ab wie ein Transistor. Ein großer Beschaltungskondensator ist nicht mehr nötig. IGCTs arbeiten in Mittelspannungsantrieben und Netzstabilisierungsanlagen, wo hohe Spannungen und kleine Durchlassverluste zählen.

In fast allen anderen Bereichen hat der IGBT übernommen. Er wird mit einer Spannung statt mit Hunderten Ampere angesteuert, braucht keinen Snubber und schaltet mit einigen Kilohertz. Für die Zukunft drängen SiC- und GaN-Transistoren nach.

Praxistipps

• Reparatur alter Anlagen: GTOs findest du heute fast nur noch in Bestandsanlagen. Ersatztypen müssen im Abschaltstrom, in der Beschaltung und in der Ansteuerung zusammenpassen; ein Tausch nur nach Sperrspannung und Strom genügt nicht.
• Gate-Kreis niederinduktiv: Jede Induktivität im Gate-Kreis bremst den Anstieg des Abschaltstroms. Ansteuerung direkt am Bauteil, Leitungen verdrillt oder als Streifenleitung.
• Gate im Aus-Zustand negativ halten: Nach dem Abschalten bleibt das Gate negativ vorgespannt, damit Störungen den GTO nicht wieder zünden.
• Wärmeabfuhr beidseitig: Bei Scheibenzellen halbiert die Kühlung von beiden Seiten den Wärmewiderstand. Das richtige Anpressmoment ist Teil der Kühlung, siehe Wärme und Kühlung.

Selbsttest