GTO(반도체)
1. 개요
일반적인 사이리스터 소자는 게이트에서 전류를 보내면 소자 작동(턴 온)은 가능하나 작동 중단(턴 오프)는 기계적인 스위치로 회로 자체를 끊지 않으면 절대로 불가능해 다이오드와 유사한데, '''게이트 턴 오프 사이리스터 (Gate Turn-Off thyristor; GTO)''' 소자는 게이트에 역방향의 전류(마이너스 전압)를 흐르는 전기적인 방법으로 턴 오프할 수 있는 사이리스터 소자이다. GE에서 처음 개발했다.
2. 구동원리
가장 단순한 MOSFET처럼 게이트, 애노드(양극), 캐소드(음극)로 3극이나 세부구조나 작동방식은 정말 다르다. MOSFET에서 게이트는 도핑이 되지 않은 반도체에서 전자를 끌어오는 역할을 할 뿐이지 게이트와 다른 극 사이를 전자가 직접 이동하지 않는다. 하지만 GTO는 턴 온시 게이트와 캐소드의 터미널에서 턴온 전류(플러스 전류)가 흐르고 캐소드 터미널이 PN 접합처럼 기능해서 전동기를 구동한다. 다만 게이트 중에는 매우 적은 전류가 흐른다. 끌땐 게이트와 캐소드의 터미널에서 마이너스 전류를 흘려보내고 플러스 전류중 1/3또는 1/5정도를 가져온 후 흐르는 전류방향에서 역방향으로 흘려보내 회로네에 있는 플러스 전류는 낮아지므로 완전히 꺼진 상태가 된다. 다만 일반적인 사이리스터와 달리 턴온이 불안정하기에 턴온 이후에도 게이트에 적은량의 플러스 전류를 흘려보낸다.
3. 이용 현황
유도전동기를 구동하는 인버터의 스위칭용 소자로서 1977년에 처음으로 사용된 이후 오늘까지 공업 분야나 전기 철도 등에 널리 사용되었지만 회로가 IGBT와는 달리 사이리스터 셀이 평행으로 수백개 수천개 배치되어야 하며 턴오프시 어노드와 음극간에 일시적으로 발생하는 스파이크 전압을 완화하기 위한 다이오드, 저항기, 콘덴서를 이용한 부가 회로(스너버 회로)가 반드시 필요하여 복잡하다. 또 턴온 턴오프 스위칭 시간이 IGBT에 비해 오래 걸리는데 마이너스 전류로 인해 플러스 전류가 떨어지더라도 여전히 남아서 흐르고 있는 전류가 모두 없어질때 까지 시간이 걸린다. 또 그것 때문에 주파수를 1 kHz이상 올릴수 없어 전기 모터로부터 발생하는 2레벨 저주파 때문에 소음이 크고[1], 턴오프하기 위한 게이트 전류가 수분의 1 정도로 크며[2], 게이트 전류가 전부 열손실이 되기 때문에 소비전력이나 발열이 커진다. 게이트의 크기 또한 크기 때문에 최근에는 IGBT로 대체되고 있다.
3.1. GTO 소자를 사용한 한국의 전동차 목록
- 코레일 100000호대 전동차 001~046호기 (알스톰)
- 코레일 311000호대 전동차 311x01~311x12, 311x14, 311x15, 311x17~311x34, 311x36, 311x46, 311x47, 311x49~311x53, 311x57~311x58편성 (도시바)
- 코레일 3000호대 전동차 371~386편성 (미쓰비시)
- 코레일 341000호대 전동차 341x04, 341x06~341x07, 341x09~341x13, 341x15~341x17, 341x24, 341x27~341x30편성 (도시바)
- 코레일 351000호대 전동차 351x09, 351x11, 351x12, 351x14, 351x17, 351x18, 351x20~351x24, 351x26~351x28편성 (도시바)
- 서울교통공사 1000호대 VVVF 전동차 101~110편성 (미쓰비시)
- 서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차 401~409, 452~463편성 (미쓰비시)
- 서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차 410~415, 417~426, 464, 467, 468편성 (알스톰)
- 서울교통공사 5000호대 전동차 501, 503~517, 519~576편성 (ABB)
- 서울교통공사 7000호대 전동차 701~717편성 (알스톰)
- 서울교통공사 8000호대 전동차 801~815편성 (알스톰)
- 부산교통공사 2000호대 전동차 220, 222~252편성 (알스톰)
- 대구도시철도공사 1000호대 전동차 102~117, 119~129, 131~135편성 (지멘스)