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][2] 턴오프하기 위한 게이트 전류가 수분의 1 정도로 크며[3], 게이트 전류가 전부 열손실이 되기 때문에 소비전력이나 발열이 커진다. 게이트의 크기 또한 크기 때문에 최근에는 IGBT로 대체되고 있다.[4]

3.1. GTO 소자를 사용한 한국의 전동차 목록

도시바 VVVF-GTO

도시바^{(총 536량 생산)}

한국철도공사 311000호대 전동차^(
상세) ~~311B01~311B12, 311B14~311B15, 311B17~311B23,~~ 311B24, ~~311B25~311B31,~~ 311B32, ~~311B33~311B34,~~ 311B36, 311B46~311B47, 311B49~311B53, 311B57~311B58편성
한국철도공사 341000호대 전동차^(
상세) ~~341B04,~~[5] ~~341B06~341B07, 341B09~341B13, 341B15~341B17, 341B24,~~ 341B27~341B30편성
한국철도공사 351000호대 전동차 ~~351F09, 351F11~351F12, 351F14, 351F17~351F18, 351F20~351F22,~~ 351F23~351F24, 351F26~351F28편성

미쓰비시 VVVF-GTO

미쓰비시^{(총 240량 생산)}

한국철도공사 3000호대 전동차 ~~371~386편성~~[6]
서울교통공사 1000호대 VVVF 전동차 101~110편성
서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차^(
상세) ~~401,~~ 402~409, 452~453, ~~454,~~ 455~458, ~~459~461,~~ 462, ~~463~~편성

알스톰 VVVF-GTO

알스톰^{(92량 + 406량 = 총 498량 생산)}

한국철도공사 100000호대 전동차 001~046 (모든 편성)
서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차^(
상세) 410~413, ~~414,~~ 415, ~~416,~~ 417~424, ~~425,~~ 426, ~~464~465, 467~469~~편성
서울 지하철 7호선 7000호대 전동차^(
상세) ~~701~704,~~ 705, ~~706~708,~~ 709, ~~710~717~~편성
서울교통공사 8000호대 전동차 801~815편성
부산교통공사 2000호대 전동차 ~~220, 222~223,~~ 224~225, ~~226,~~ 227, ~~228,~~ 229~248편성

지멘스 VVVF-GTO

지멘스^{(총 108량 생산)}

대구교통공사 1000호대 전동차 102~103, 105~108, 110~117, ~~118,~~ 119~123, 125~127, 129, ~~130,~~ 131~135편성

ABB VVVF-GTO

ABB^{(총 304량 생산)} (현재 소자사업 부분은 슈타들러와 합병 되었다.)

서울교통공사 5000호대 전동차 ~~501~525,~~ 526~576편성

3.2. GTO 소자를 사용한 한국의 전기 기관차 목록

지멘스^{(총 85량 생산)}

한국철도공사 8100, 8200호대 전기기관차

[1] 반면 IGBT소자의 3레벨 고주파는 사람의 귀에 들리지 않기에 정숙하다고 느낀다. [2] 다만 GTO라고 무조건 시끄럽지는 않다. 서울 1호선과 3호선, 4호선 일부 열차에 채용되는 도시바제와 미쓰비시제 GTO는 상당히 조용한 편에 속한다. 다만 저중에서 3호선은 지상구간이 적기에 1, 4호선에 비하면 소리가 크긴 하다. 예민한 사람들은 5,7,8호선 GTO 급이라고 할 정도 [3] IGBT는 수십~수천분의 1 정도이다. [4] 당장 일본에선 초퍼나 저항제어가 아닌 GTO-VVVF 차량도 IGBT나 SIC로 개조하고 있다. [5] 동력차가 모두 311B01편성 출신 객차다. 341404호는 실제로 도시바 제 GTO로 환원되었다. [6] 2024년 6월 21일 전량 퇴역.