This page has been robot translated, sorry for typos if any. Original content here.

Сучасні силові замикаються тиристори

Вступ

Створення напівпровідникових приладів для силової електроніки почалося в 1953 р коли стало можливим отримання кремнію високої чистоти і формування кремнієвих дисків великих розмірів. У 1955 р був вперше створений напівпровідниковий керований прилад, який має чотиришарову структуру і 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 з керуючого електрода. 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 вимикати тиристори.

В середині 90-х років був розроблений тиристор, що замикається з кільцевих висновком керуючого електрода. Він отримав назву Gate Commutated Thyristor (GCT) і став подальшим 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) вимикати тиристора. Подібно до звичайного 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.

Мал. 1. замикається тиристор:
а- умовне позначення;
б-структурна схема

Найбільшому зміни піддалося пристрій катодного шару n. Він розбитий на кілька сотень елементарних осередків, рівномірно розподілених по площі і з'єднаних паралельно. Таке виконання викликано прагненням забезпечити рівномірне зниження струму по всій площі напівпровідникової структури при виключенні 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 в тиристорах, що не володіють зворотною блокуючою здатністю. Вони призначені для зменшення часу вимикання приладу за рахунок поліпшення умов вилучення зарядів з базової області n.

Базова модель тиристорів GTO таблеткові з чотиришарове кремнієвою пластиною, затиснутою через термокомпенсирующих молібденові диски між двома мідними підставами, що володіють підвищеною тепло- і електропровідністю. З кремнієвою пластиною контактує керуючий електрод, який має висновок в 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 від низу до верху слідують: базовий шар n, базовий шар p (має висновок керуючого електрода), шар n, що безпосередньо контактує з катодних 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 прямого напруги між анодом і катодом. Переходи j1 і j3 зміщуються в прямому напрямку і не перешкоджають проходженню носіїв зарядів. Все напруга прикладається до середнього переходу j2, який зміщується в 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 крутизни 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 з шару p в шар n і далі в шар p, тобто відбудеться збільшення струму, створеного неосновними носіями зарядів.

Сумарний струм, що проходить через базовий перехід j2, перевищує струм включення, відбувається відкриття тиристора, після чого носії зарядів будуть вільно переходити через все 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 вимикати тиристора постійно перебували в провідному стані, все ж необхідна підтримка струму, передбаченого для даного температурного режиму. Таким чином, весь час включення і проводить стану система управління формує імпульс струму позитивної полярності.

У провідному стані все області напівпровідникової структури забезпечують рівномірний рух носіїв зарядів (електронів від катода до анода, дірок - в зворотному напрямку). Через переходи j1, j2 протікає анодний струм, через перехід j3 - сумарний струм анода і керуючого електрода.

Фаза 3 - виключення. 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 закриватися. 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 перебуває у відкритому стані.

Графіки зміни струму анода (iT) і керуючого електрода (iG)

Мал. 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 току 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, який мав би 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 в 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 ланцюга

Використання тиристорів GTO, вимагає застосування спеціальних захисних ланцюгів. Вони збільшують масо-габаритні показники, вартість перетворювача, іноді вимагають додаткових охолоджувальних 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 виключенні 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.

Схема захисного ланцюга

Мал. 3. Схема захисного 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 зі схеми формування відчиняю чого імпульсу і джерела сигналу для підтримки тиристора у відкритому стані; контур формування замикаючого сигналу; контур підтримки тиристора в закритому стані.

Чи 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 управління і силовий ланцюга вимикати тиристора.

Для управління роботою вимикати 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 вимикати тиристора Т. У другому випадку сигнали спочатку впливають на ключі SE (включення) і SA (виключення ), що знаходяться під тим же потенціалом, що і СУ, потім через пристрої гальванічної розв'язки UE і UA подаються на керуючий електрод.

Залежно від розташування ключів SE і SA розрізняють низько потенційного (НПСУ) і високопотенціальні (ВПСУ, рис. 4) схеми управління.

Варіант ланцюга управління

Мал. 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 в 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

В 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 виключенні 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 в 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 виключенні приладу. Зробивши тиристор нечутливим до ефекту du / dt, створили можливість відмовитися від снабберной ланцюга (ланцюга формування траєкторії перемикання), що і 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 транзисторную при замиканні приладу, що робить прилад нечутливим до ефекту du / dt.

GCT в фазах включення, яка проводить і блокуючого стану управляється також, як і GTO. При виключенні управління GCT має дві особливості:

  • ток 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, дорівнює 3000 А / мкс і більше (для тиристорів GTO значення dig / dt становить 30-40 А / мкс).

Розподіл струмів в структурі тиристора GCT при виключенні

Мал. 5. Розподіл струмів в структурі тиристора GCT при виключенні

На рис. 5 показано розподіл струмів в структурі тиристора GCT при виключенні приладу. Як вказувалося, процес включення подібний включенню тиристорів GTO. Процес вимкнення 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 в зворотному напрямку, і катодний транзистор npn закривається. Подальше вимикання GCT аналогічно виключення будь-якого біполярного транзистора, що не вимагає 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 виключенні, протікають на один - два порядки швидше, ніж в GTO. Так, якщо мінімальний час вимикання і блокуючого стану для GTO становить 100 мкс, для GCT ця величина не перевищує 10 мкс. Швидкість наростання струму управління при виключенні 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; зовні - з пластиною, що з'єднує керуючий електрод з формувачем імпульсів.

Зараз тиристори GTO виробляють кілька великих фірм Японії і Європи: "Toshiba", "Hitachi", "Mitsubishi", "ABB", "Eupec". Параметри приладів по напрузі UDRM: 2500 В, 4500 В, 6000 В; по току 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) Випускається тиристори серій ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА-193, ЗТФ-193 (подібний до GCT ) і 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 в 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 і електронне опромінення для створення спеціального розподілу контрольованих рекомбінаційних центрів, технологія так званих прозорих або тонких емітерів, застосування буферного шару в n - базової області і 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 ", яка повинна замикатися тиристори з інтегрованим блоком управління (драйвером)" (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)) . Завдяки технології жорсткого управління рівномірне 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 кілогерцовому діапазоні. Потужність, необхідна для управління, знижена в 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. При існуючій технічній 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 реалізується за рахунок коаксіального з'єднання керуючого електрода в поєднанні з багатошарової платою блоку управління. В результаті стало можливим досягти значення швидкості вимикається струму 4 кА / мкс. При напрузі керування UGK = 20 В. коли катодний струм стає рівним нулю, що залишився анодний струм переходить в блок управління, який має в цей момент низький опір. За рахунок цього споживання енергії блоком управління мінімізується.

Працюючи при "жорсткому" управлінні, тиристор переходить при замиканні з pnpn стану в pnp режим за 1 мкс. Вимкнення відбувається повністю в транзисторному режимі, усуваючи будь-яку можливість виникнення критичного 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 преймущество тонких елементів - поліпшення технологічних характеристик при низьких статичних і динамічних втрати. Такий буферний шар в чотиришарове приладі вимагає усунення анодних закороток, але при цьому зберігається ефективне звільнення електронів під час вимикання. 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 число елементів керуючого блоку, знижені параметри розсіювання тепла, електричних і теплових перевантажень. Тому, також істотно знижена вартість блоку управління і інтенсивність відмов. IGCT, з його інтегрованим керуючим блоком, легко фіксується в модулі і точно з'єднується з джерелом живлення і джерелом сигналу через оптоволокно. Шляхом простого розмикання пружини, завдяки детально розробленою притискної контактній системі, до IGCT додається правильно розраховане притискне зусилля, що створює електричний і тепловий контакт. Таким чином, досягається максимальне полегшення збірки і найбільша надійність. При роботі IGCT без снаббера, зворотний діод теж повинен працювати без снаббера. Ці вимоги виконує високопотужний діод в притискному корпусі з поліпшеними характеристиками, вироблений з використанням процесу опромінення в поєднанні з класичними процесами. Можливості по забезпеченню di / dt визначаються роботою діода (див. Рис. 6).

Спрощена схема трифазного інвертора на IGCT

Мал. 6. Спрощена схема трифазного інвертора на IGCT

Основний виробник IGCT фірма "ABB" .Параметри тиристорів по напрузі U DRM: 4500 В, 6000 В; по току 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 в 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 і 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 в силах до примусового запирання 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 і 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 неенергоёмкая система управління. Вбудований драйвер. Дуже високі втрати у включеному стані. Електропривод (чоппери); системи безперебійного живлення; статичні компенсатори і активні фільтри; ключові джерела живлення