 |
Сучасні силові замикаються тиристори
Введення
Створення напівпровідникових приладів для силової електроніки почалося в 1953 р. коли стало можливим отримання кремнію високої чистоти та формування кремнієвих дисків великих розмірів. У 1955 р. був вперше створений напівпровідниковий керований прилад, що має чотиришарову структуру і що отримав назву "тиристор".
Він включався подачею імпульсу на електрод управління при позитивному напрузі між анодом і катодом. Вимкнення тиристора забезпечується зниженням протікає через нього прямого струму до нуля, для чого розроблено безліч схем індуктивно-ємнісних контурів комутації. Вони не тільки збільшують вартість преобразоваеля, але і погіршують його масо-габаритні показники, знижують надійність.
Тому одночасно зі створенням тиристора почалися дослідження, спрямовані на забезпечення його виключення по керуючому електроду. Головна проблема полягала в забезпеченні швидкого розсмоктування носіїв зарядів в базових областях.
Перші подібні тиристори з'явилися в 1960 р. в США. Вони отримали назву Gate Turn Off (GTO). У нашій країні вони більше відомі як замикаються або вимикає тиристори.
У середині 90-х років був розроблений замикається тиристор з кільцевим висновком керуючого електрода. Він отримав назву Gate Commutated Thyristor (GCT) і став надалі розвитком GTO-технології.
Тиристори GTO
Пристрій
Тиристор, що замикається - повністю керований напівпровідниковий прилад, в основі якого класична чотиришарова структура. Включають і вимикають його подачею позитивного і негативного імпульсів струму на електрод управління. На Рис. 1 наведені умовне позначення (а) і структурна схема (б) вимикає тиристора. Подібно звичайному тиристору він має катод K, анод А, керуючий електрод G. Відмінності в структурах приладів полягає в іншому розташуванні горизонтальних і вертикальних шарів з n-і р-проводимостями.
 |  |
Рис. 1. Тиристор, що замикається:
| |
Найбільшому зміни піддалося пристрій катодного шару n. Він розбитий на кілька сотень елементарних комірок, рівномірно розподілених по площі і з'єднаних паралельно. Таке виконання викликано прагненням забезпечити рівномірне зниження струму по всій площі напівпровідникової структури при вимиканні приладу.
Базовий шар p, незважаючи на те, що виконаний як єдине ціле, має велике число контактів керуючого електрода (приблизно дорівнює кількості катодних комірок), також рівномірно розподілених по площі і з'єднаних паралельно. Базовий шар n виконаний аналогічно відповідному шару звичайного тиристора.
Анодний шар p має шунти (зони n), що з'єднують n-базу з анодним контактом через невеликі розподілені опору. Анодні шунти застосовують у тиристорах, не володіють зворотним блокує здатністю. Вони призначені для зменшення часу виключення приладу за рахунок поліпшення умов вилучення зарядів з базової області n.
Основне виконання тиристорів GTO таблеткові з чотиришаровій кремнієвою пластиною, затиснутої через термокомпенсірующіе молібденові диски між двома мідними підставами, що володіють підвищеною тепло-і електропровідністю. З кремнієвою пластиною контактує керуючий електрод, що має висновок у керамічному корпусі. Прилад затискається контактними поверхнями між двома половинами охолоджувачів, ізольованих один від одного і мають конструкцію, яка визначається типом системи охолодження.
Принцип дії
У циклі роботи тиристора GTO розрізняють чотири фази: включення, провідний стан, виключення і блокуючу стан.
На схематичному розрізі тиристорної структури (рис. 1, б) нижній висновок структури анодний. Анод контактує з шаром p.Затем знизу вгору йдуть: базовий шар n, базовий шар p (що має висновок керуючого електрода), шар n, безпосередньо контактує з катодним висновком. Чотири шару утворюють три pn переходу: j1 між шарами p і n; j2 між шарами n і p; j3 між шарами p і n.
Фаза 1 - включення. Перехід тиристорної структури з блокуючого стану в провідний (включення) можливий тільки при додатку прямої напруги між анодом і катодом. Переходи j1 і j3 зміщуються у напрямку і не перешкоджають проходженню носіїв зарядів. Вся напруга прикладається до середнього переходу j2, який зміщується у зворотному напрямку. Близько переходу j2 утворюється зона, збіднена носіями зарядів, що отримала назву-область об'ємного заряду. Щоб включити тиристор GTO, до керуючого електрода і катода по ланцюгу управління прикладається напруга позитивної полярності U G (висновок "+" до шару p). В результаті по ланцюгу протікає струм включення I G.
Замикаються тиристори пред'являють жорсткі вимоги до крутизні фронту dIG / dt і амплітудою IGM струму управління. Через перехід j3, крім струму витоку, починає протікати струм включення I G. Створюють цей струм електрони будуть інжектованих з шару n в шар p. Далі частина з них буде перекидатися електричним полем базового переходу j2 в шар n.
Одночасно збільшиться зустрічна інжекція дірок із шару p в шар n і далі в шар p, тобто відбудеться збільшення струму, створеного неосновними носіями зарядів.
Cуммарная струм, що проходить через базовий перехід j2, перевищує струм включення, відбувається відкриття тиристора, після чого носії зарядів будуть вільно переходити через усі його чотири області.
Фаза 2 - провідний стан. У режимі протікання прямого струму немає необхідності в струмі управління I G, якщо струм в ланцюзі анода перевищує величину струму утримання. Однак на практиці для того, щоб всі структури виключається тиристора постійно перебували в проводяться стані, все ж необхідно підтримку струму, передбаченого для даного температурного режиму. Таким чином, весь час включення і яка проводить стану система управління формує імпульс струму позитивної полярності.
У проводяться стані всі області напівпровідникової структури забезпечують рівномірний рух носіїв зарядів (електронів від катода до анода, дірок - у зворотному напрямку). Через переходи j1, j2 протікає анодний струм, через перехід j3 - сумарний струм анода і керуючого електрода.
Фаза 3 - вимкнення. Для виключення тиристора GTO при незмінній полярності напруги U T (див. рис. 3) до керуючого електрода і катода по ланцюгу управління прикладається напруга негативної полярності UGR. Воно викликає струм вимикання, перебіг якого веде до розсмоктування основних носіїв заряду (дірок) в базовому шарі p. Іншими словами, відбувається рекомбінація дірок, що надійшли в шар p з базового шару n, і електронів, що надійшли в цей же шар по керуючому електроду.
Із звільненням від них базового переходу j2 тиристор починає замикатися. Цей процес характеризується різким зменшенням прямого струму I Т тиристора за короткий проміжок часу до невеликої величини I ТQT (див. рис. 2). Відразу після замикання базового переходу j2 починає закриватися перехід j3, однак за рахунок енергії, запасеної в індуктивності ланцюгів управління він ще деякий час знаходиться у відкритому стані.
Рис. 2. Графіки зміни струму анода (iT) і керуючого електрода (iG)
Після того, як вся енергія, запасена в індуктивності ланцюга управління, буде витрачена, перехід j3 з боку катода повністю закривається. З цього моменту струм через тиристор дорівнює струму витоку, який протікає від анода до катода через ланцюг керуючого електрода.
Процес рекомбінації і, отже, виключення замикається тиристора багато в чому залежить від крутизни фронту dIGQ / dt і амплітуди I GQ зворотного струму управління. Щоб забезпечити необхідні крутизну і амплітуду цього струму, на керуючий електрод потрібно подати напругу UG, яке не повинно перевищувати величини, допустимої для переходу j3.
Фаза 4 - блокуючу состояніе.В режимі блокуючого стану до керуючого електрода і катода залишається прикладеним напруга негативної полярності U GR від блоку управління. По ланцюгу управління протікає сумарний струм I GR, що складається з струму витоку тиристора і зворотного струму управління, що проходить через перехід j3. Перехід j3 зміщується у зворотному напрямку. Таким чином, в тиристорі GTO, що знаходиться в прямому блокирующем стані, два переходи (j2 і j3) зміщені у зворотному напрямку і утворені дві області просторового заряду.
Весь час вимикання і блокуючого стану система управління формує імпульс негативної полярності.
Захисні ланцюги
Використання тиристорів GTO, вимагає застосування спеціальних захисних ланцюгів. Вони збільшують масо-габаритні показники, вартість перетворювача, іноді вимагають додаткових охолоджуючих пристроїв, проте є необхідними для нормального функціонування приладів.
Призначення будь-захисної ланцюга - обмеження швидкості наростання одного з двох параметрів електричної енергії при комутації напівпровідникового приладу. При цьому конденсатори захисної ланцюга СВ (рис. 3) підключають паралельно захищається приладу Т. Вони обмежують швидкість наростання прямого напруги dUT / dt при вимиканні тиристора.
Дроселі LE встановлюють послідовно з приладом Т. Вони обмежують швидкість наростання прямого струму dIT / dt при включенні тиристора. Значення dUT / dt і dIТ / dt для кожного приладу нормовані, їх вказують у довідниках і паспортних даних на прилади.
Рис. 3. Схема захисної ланцюга
Крім конденсаторів і дроселів, в захисних ланцюгах використовують додаткові елементи, що забезпечують розряд і заряд реактивних елементів. До них відносяться: діод DВ, який шунтує резистор RВ при виключенні тиристора Т і заряді конденсатора СВ, резистор RВ, що обмежує струм розряду конденсатора СВ при включенні тиристора Т.
Система управління
Система управління (СУ) містить наступні функціональні блоки: включає контур, що складається з схеми формування відчиняю чого імпульсу і джерела сигналу для підтримки тиристора у відкритому стані; контур формування замикаючого сигналу; контур підтримки тиристора в закритому стані.
Не для всіх типів СУ потрібні всі перераховані блоки, але контури формування отпирающих і замикаючих імпульсів повинна містити кожна СУ. При цьому необхідно забезпечити гальванічну розв'язку схеми керування і силової колі вимикалися тиристора.
Для управління роботи вимикається тиристора застосовуються дві основні СУ, що відрізняються способами подачі сигналу на керуючий електрод. У разі представленому на рис. 4, сигнали, що формуються логічним блоком St, піддаються гальванічної розв'язки (поділ потенціалів), після чого проводиться їх подача через ключі SE і SA на керуючий електрод виключається тиристора Т. У другому випадку сигнали спочатку впливають на ключі SE (включення) і SA (вимикання ), що знаходяться під тим же потенціалом, як і СУ, потім через пристрої гальванічної розв'язки UE і UA подаються на керуючий електрод.
Залежно від розташування ключів SE і SA розрізняють низькопотенційних (НПСУ) і високопотенціальні (ВПСУ, рис. 4) схеми управління.
Рис. 4. Варіант ланцюга управління
Система управління НПСУ конструктивно простіше, ніж ВПСУ, проте її можливості обмежені щодо формування керуючих сигналів великої тривалості, що діють в режимі в режимі протікання через тиристор прямого струму, а також у забезпеченні крутизни імпульсів управління. Для формування сигналів великої тривалості тут доводиться використовувати більш дорогі двотактні схеми.
У ВПСУ висока крутизна і збільшена тривалість керуючого сигналу досягається простіше. Крім того, тут сигнал управління використовується повністю, в той час як в НПСУ його величина обмежується пристроєм поділу потенціалів (наприклад, імпульсним трансформатором).
Інформаційний сигнал - команда на включення або виключення - зазвичай подається на схему через оптоелектронний перетворювач.
Тиристори GCT
У середині 90-х років фірмами "ABB" і "Mitsubishi" був розроблений новий вид тиристорів Gate Commutated Thyristor (GCT). Власне, GCT є подальшим удосконаленням GTO, або його модернізацією. Однак, принципово нова конструкція керуючого електрода, а також помітно відрізняються процеси, що відбуваються при вимиканні приладу, роблять доцільним його розгляд.
GCT розроблявся як прилад, позбавлений недоліків, характерних для GTO, тому спочатку необхідно зупиниться на проблемах, що виникають при роботі GTO.
Основний недолік GTO полягає у великих втратах енергії в захисних ланцюгах приладу при його комутації. Підвищення частоти збільшує втрати, тому на практиці тиристори GTO комутуються з частотою не більше 250-300 Гц. Основні втрати виникають в резисторі RВ (див. рис. 3) при виключенні тиристора Т і, отже, розряді конденсатора СВ.
Конденсатор СВ призначений для обмеження швидкості наростання прямого напруги du / dt при вимиканні приладу. Зробивши тиристор не чутливим до ефекту du / dt, створили можливість відмовитися від снабберной ланцюга (ланцюги формування траєкторії перемикання), що й було реалізовано в конструкції GCT.
Особливість управління і конструкції
Основною особливістю тиристорів GCT, в порівнянні з приладами GTO, є швидке вимкнення, яке досягається як зміною принципу управління, так і вдосконаленням конструкції приладу. Швидке вимикання реалізується перетворенням тиристорної структури в транзисторну при запиранні приладу, що робить прилад не чутливим до ефекту du / dt.
GCT у фазах включення, проводить і блокуючого стану управляється також, як і GTO. При виключенні управління GCT має дві особливості:
- струм управління Ig дорівнює або перевищує анодний струм Ia (для тиристорів GTO Ig менше в 3 - 5 разів);
- керуючий електрод має низьку індуктивністю, що дозволяє досягти швидкості наростання струму управління dig / dt, що дорівнює 3000 А / мкс і більше (для тиристорів GTO значення dig / dt становить 30-40 А / мкс).
Рис. 5. Розподіл струмів в структурі тиристора GCT при вимиканні
На рис. 5 показано розподіл струмів в структурі тиристора GCT при вимиканні приладу. Як зазначалося, процес включення подібний включенню тиристорів GTO. Процес вимикання відмінний. Після подачі негативного імпульсу управління (-Ig) рівного по амплітуді величиною анодного струму (Ia), весь прямий струм, що проходить через прилад, відхиляється в систему управління і досягає катода, минаючи перехід j3 (між областями p і n). Перехід j3 зміщується у зворотному напрямку, і катодний транзистор npn закривається. Подальше вимкнення GCT аналогічно виключення будь-якого біполярного транзистора, що не потребує зовнішнього обмеження швидкості наростання прямого напруги du / dt і, отже, допускає відсутність снабберной ланцюжка.
Зміна конструкції GCT пов'язано з тим, що динамічні процеси, що виникають в приладі при вимиканні, протікають на один - два порядки швидше, ніж в GTO. Так, якщо мінімальна час вимкнення і блокуючого стану для GTO становить 100 мкс, для GCT ця величина не перевищує 10 мкс. Швидкість наростання струму керування при вимиканні GCT становить 3000 А / мкс, GTO - не перевищує 40 А / мкс.
Щоб забезпечити високу динаміку комутаційних процесів, змінили конструкцію виведення керуючого електрода і з'єднання приладу з формувачем імпульсів системи управління. Висновок виконаний кільцевим, оперізувальний прилад по колу. Кільце проходить крізь керамічний корпус тиристора і контактує: всередині з осередками керуючого електрода; ззовні - з пластиною, що з'єднує керуючий електрод з формувачем імпульсів.
Зараз тиристори GTO виробляють кілька великих фірм Японії та Європи: "Toshiba", "Hitachi", "Mitsubishi", "ABB", "Eupec". Параметри приладів по напрузі UDRM: 2500 В, 4500 В, 6000 В; по струму ITGQM (максимальний повторюваний замикається струм): 1000 А, 2000 А, 2500 А, 3000 А, 4000 А, 6000 А.
Тиристори GCT випускають фірми "Mitsubishi" і "ABB". Прилади розраховані на напругу UDRM до 4500 В і струм ITGQM до 4000 А.
В даний час тиристори GCT і GTO освоєні на російському підприємстві ВАТ "Електровипрямітель" (м. Саранськ). Випускаються тиристори серій ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА-193, ЗТФ-193 (подібний GCT ) та ін з діаметром кремнієвої пластини до 125 мм і діапазоном напруг UDRM 1200 - 6000 В і струмів ITGQM 630 - 4000 А.
Паралельно з замикаються тиристорами і для використання в комплекті з ними у ВАТ "Електровипрямітель" розроблені і освоєні в серійному виробництві бистровостанавлівающіеся діоди для демпфуючих (снабберних) ланцюгів і діоди зворотного струму, а також потужний імпульсний транзистор для вихідних каскадів драйвера управління (система управління).
Тиристори IGCT
Завдяки концепції жорсткого управління (тонке регулювання легуючих профілів, мезатехнологія, протонне та електронне опромінення для створення спеціального розподілу контрольованих рекомбінаційних центрів, технологія так званих прозорих або тонких емітерів, застосування буферного шару в n - базової області та ін) вдалося добитися значного поліпшення характеристик GTO при виключенні. Наступним великим досягненням в технології жорстко керованих GTO (HD GTO) з точки зору приладу, управління і застосування стала ідея керованих приладів базуються на новому "замикається тиристорі з інтегрованим блоком управління (драйвером)" (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)) . Завдяки технології жорсткого управління рівномірний перемикання збільшує область безпечної роботи IGCT до меж, обмежених лавинним пробоєм, тобто до фізичних можливостей кремнію. Не потрібно ніяких захисних ланцюгів від перевищення du / dt. Поєднання з поліпшеними показниками втрат потужності дозволило знайти нові сфери застосування в кілогерцовом діапазоні. Потужність, необхідна для управління, знижена у 5 разів у порівнянні зі стандартними GTO, в основному за рахунок прозорої конструкції анода. Нове сімейство приладів IGCT, з монолітними інтегрованими високо потужними діодами було розроблено для застосування в діапазоні 0,5 - 6 МВ * А. За існуючої технічної можливості послідовного і паралельного з'єднання прилади IGCT дозволяють нарощувати рівень потужності до декількох сотень мегавольт - ампер.
При інтегрованому блоці управління катодний струм знижується до того, як анодна напруга починає збільшуватися. Це досягається за рахунок дуже низької індуктивності ланцюга керуючого електрода, що реалізовується за рахунок коаксіального з'єднання керуючого електрода в поєднанні з багатошаровою платою блоку управління. В результаті стало можливим досягти значення швидкості виключається струму 4 кА / мкс. При напрузі управління UGK = 20 В. коли катодний струм стає рівним нулю, що залишився анодний струм переходить до блоку управління, який має в цей момент низький опір. За рахунок цього споживання енергії блоком управління мінімізується.
Працюючи при "жорсткому" управлінні, тиристор переходить при запиранні з pnpn стану в pnp режим за 1 мкс. Вимкнення відбувається повністю в транзисторних режимі, усуваючи будь-яку можливість виникнення тригерній ефекту.
Зменшення товщини приладу досягається за рахунок використання буферного шару на стороні анода. Буферний шар силових напівпровідників покращує характеристики традиційних елементів за рахунок зниження їх товщини на 30% при тому ж прямому пробивном напрузі. Головне перевагою тонких елементів - поліпшення технологічних характеристик при низьких статичних і динамічних втрати. Такий буферний шар в чотиришаровому приладі вимагає усунення анодних закороток, але при цьому зберігається ефективне звільнення електронів під час виключення. У новому приладі IGCT буферний шар комбінується з прозорим анодним емітером. Прозорий анод - це pn перехід з керованою струмом ефективністю емітера.
Для максимальної завадостійкості та компактності блок управління оточує IGCT, формуючи єдину конструкцію з охолоджувачем, і містить тільки ту частину схеми, яка необхідна для управління безпосередньо IGCT. Як наслідок, зменшено кількість елементів керуючого блоку, знижені параметри розсіювання тепла, електричних і теплових перевантажень. Тому, також істотно знижена вартість блоку управління та інтенсивність відмов. IGCT, з його інтегрованим керуючим блоком, легко фіксується в модулі і точно з'єднується з джерелом живлення і джерелом керуючого сигналу через оптоволокно. Шляхом простого розмикання пружини, завдяки детально розробленої притискної контактній системі, до IGCT додається правильно розраховане притискне зусилля, що створює електричний і тепловий контакт. Таким чином, досягається максимальне полегшення складання і найбільша надійність. При роботі IGCT без снаббера, зворотний діод теж повинен працювати без снаббера. Ці вимоги виконує високопотужний діод в притискної корпусі з поліпшеними характеристиками, вироблений з використанням процесу опромінення в поєднанні з класичними процесами. Можливості щодо забезпечення di / dt визначаються роботою діода (див. рис. 6).
Рис. 6. Спрощена схема трифазного інвертора на IGCT
Основний виробник IGCT фірма "ABB". Параметри тиристорів по напрузі U DRM: 4500 В, 6000 В; по струму ITGQM: 3000 А, 4000 А.
Висновок
Швидкий розвиток на початку 90-х років технології силових транзисторів призвело до появи нового класу приладів - біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Основними перевагами IGBT є високі значення робочої частоти, ККД, простота і компактність схем управління (внаслідок малості струму управління).
Поява в останні роки IGBT з робочою напругою до 4500 В і здатністю комутувати струми до 1800 А привело до витіснення замикаються тиристорів (GTO) в пристроях потужністю до 1 МВт і напругою до 3,5 кВ.
Однак нові прилади IGCT, здатні працювати з частотами перемикання від 500 Гц до 2 кГц і мають більш високі параметри у порівнянні з IGBT транзисторами, поєднують в собі оптимальну комбінацію доведених технологій тиристорів з притаманними їм низькими втратами, і бесснабберной, високоефективної технологією виключення шляхом впливу на керуючий електрод. Прилад IGCT сьогодні - ідеальне рішення для застосування в області силової електроніки середнього та високого напруг.
Характеристики сучасних потужних силових ключів з двостороннім теплоотводом наведені в табл. 1.
Таблиця 1. Характеристики сучасних потужних силових ключів з двостороннім теплоотводом
| Тип приладу | Переваги | Недоліки | Області застосування |
| Традиційний тиристор (SCR) | Найнижчі втрати у включеному стані. Найвища перевантажувальна здатність. Висока надійність. Легко з'єднуються паралельно і послідовно. | Не здатний до примусового замиканню по керуючому електроду. Низька робоча частота. | Привід постійного струму; потужні джерела живлення; зварювання; плавлення і нагрівання; статичні компенсатори; ключі змінного струму |
| GTO | Здатність до керованого замикання. Порівняно висока перевантажувальна здатність. Можливість послідовного з'єднання. Робочі частоти до 250 Гц при напрузі до 4 кВ. | Високі втрати у включеному стані. Дуже великі втрати в системі управління. Складні системи управління та подачі енергії на потенціал. Великі втрати на перемикання. | Електропривод; статичні компенсатори; реактивної потужності; системи безперебійного живлення; індукційний нагрів |
| IGCT | Здатність до керованого замикання. Перевантажувальна здатність та ж, що і у GTO. Низькі втрати у включеному стані на перемикання. Робоча частота - до одиниць, кГц. Вбудований блок управління (драйвер). Можливість послідовного з'єднання. | Не виявлені через відсутність досвіду експлуатації | Потужні джерела живлення (інверторна і випрямна підстанції ліній передач постійного струму); електропривод (інвертори напруги для перетворювачів частоти і електроприводів різного призначення) |
| IGBT | Здатність до керованого замикання. Найвища робоча частота (до 10 кГц). Проста неенергоємних система управління. Вбудований драйвер. | Дуже високі втрати у включеному стані. | Електропривод (чоппери); системи безперебійного живлення; статичні компенсатори і активні фільтри; ключові джерела живлення |
-Нові ігри! 
|