| 전동차 제어장치 | ||||
| <rowcolor=#373a3c,#ddd> 저항제어 | 초퍼제어 | VVVF | ||
| GTO | IGBT | SiC | ||
1. 개요
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| GTO 회로 기호 |
2. 원리
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| 기본적인 GTO의 회로 |
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 회로내에 있는 플러스 전류는 낮아지므로 완전히 꺼진 상태가 된다. 다만 일반적인 사이리스터와 달리 턴온이 불안정하기에 턴온 이후에도 게이트에 적은량의 플러스 전류를 흘려보낸다.
3. 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+강제냉각 방식[1] 특유의 우렁찬 소음이 발생하여 기본적으로 소음이 큰 편이고[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 IGBT나 SiC MOSFET으로 대체되고 있다.[4]KTX-1 차량의 경우 GTO 방식을 쓰나 VVVF 방식이 아니다. 정확히 말하면 인버터는 맞는데 전압제어가 아닌 전류제어(VCVF) 방식이다.
3.1. GTO 소자를 사용한 한국의 전동차 목록
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- 도시바(총 536량 생산)
한국철도공사 311000호대 전동차(상세)
311B01~311B12, 311B14~311B15, 311B17~311B23,311B24,311B25~311B31,311B32,311B33~311B34,311B36, 311B46~311B47, 311B49~311B51, 311B53, 311B57~311B58편성한국철도공사 341000호대 전동차(상세)
341B04,[5]341B06~341B07, 341B09~341B13, 341B15~341B17, 341B24, 341B27~341B30편성[6]한국철도공사 351000호대 전동차(상세)
351F09, 351F11~351F12, 351F14, 351F17~351F18, 351F20~351F22,351F23, 351F26~351F28편성
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- 미쓰비시(총 240량 생산)
서울교통공사 1000호대 전동차 101~110편성
한국철도공사 3000호대 전동차
371~386편성[7]서울교통공사 4000호대 전동차(상세)
401~409, 452~463편성[8]
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- 알스톰(92량 + 406량 = 총 498량 생산)
한국철도공사 100000호대 전동차 001~046호기비VVVF
서울교통공사 4000호대 전동차(상세)
410~426, 464~465, 467~469편성[9]서울교통공사 7000호대 전동차(상세)
701~704,705,706~717편성서울교통공사 8000호대 전동차 801~815편성
부산교통공사 2000호대 전동차
220, 222~223,224~225,226,227,228,229~248편성
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- 지멘스(총 108량 생산)
대구교통공사 1000호대 전동차 102~103, 105~108, 110~117,
118,119~123, 125~127, 129,130,131~135편성
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- ABB 헨셸(총 304량 생산) (현재 소자사업 부분은 슈타들러와 합병 되었다.)
서울교통공사 5000호대 전동차
501, 503~525,526~576편성
3.2. GTO 소자를 사용한 한국의 전기 기관차 목록
- 지멘스(총 85량 생산)
[1] IGBT는 발열량이 GTO에 비해 확실히 적어진 만큼 주로 자연냉각 방식을 사용한다.[2] 특히 서울 지하철 5호선 1~2차분과 부산 도시철도 2호선 1~3차분이 이러한 소음으로 악명이 높다. 반면 IGBT를 장착한 경우 의외로 GTO처럼 저주파 영역인데도 불구하고 구동음이 생각보다 정숙한 차량도 존재하는데 RATP MF 19형 전동차나 이스탄불 M3/M9에서 운행하는 AM4 전동차 등이 있다. 절묘하게도 둘 다 알스톰에서 제조되었다.[3] IGBT는 수십~수천분의 1 정도이다.[4] 당장 일본에선 초퍼나 저항제어가 아닌 VVVF-GTO 차량도 IGBT나 SiC로 개조하고 있다.[5] 동력차가 모두 311B01편성 출신 객차다. 341404호는 실제로 도시바 제 GTO로 환원되었다.[6] 2024년 12월 24일 전량 퇴역[7] 2024년 6월 21일 전량 퇴역.[8] 2026년 4월 27일 전량 퇴역[9] 2025년 11월 12일 전량 퇴역.