К.Д. Рогачёв
Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники завязалось в 1953 г. когда стало мыслимым получение кремния торжественной чистоты и формирование кремниевых дисков знатных размеров. В 1955 г. был впервой создан полупроводниковый управляемый прибор, владеющий четырёхслойную структуру и получивший звание "тиристор".
Он подсоединялся подачей импульса на электрод управления при позитивном усилии между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивается снижением протекающего спустя него прямого тока до нуля, для чего разработано сила схем индуктивно-ёмкостных абрисов коммутации. Они не единственно увеличивают стоимость преобразоваеля, однако и ухудшают его массо-габаритные показатели,снижают надёжность.
почему одновр/еменно с созданием тиристора затеялись разыскания, сконцентрированные на обеспечение его выключения по распоряжающемуся электроду. основная проблема заключалась в обеспечении резвого рассасывания носителей зарядов в базовых сферах.
Первые подобные тиристоры взялись в 1960 г. в США. Они получили звание Gate Turn Off (GTO). В нашей палестине они максимальнее имениты буквально закрываемые или отключаемые тиристоры.
В средине 90-х годов был разработан закрываемый тиристор с кольцевым выводом заворачивающего электрода. Он получил звание Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшем развитием GTO-технологии.
конструкция закрываемый тиристор - целиком управляемый полупроводниковый прибор, в основе коего классическая четырёхслойная структура. вливают и отсоединяют его подачей позитивного и негативного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 1 вогнаны условное обозначение (а) и структурная схема (б) отключаемого тиристора.
Подобно обыкновенному тиристору он обладает катод K, анод А, заворачивающий электрод G. отличия в структурах приборов заключается в другом благоволении горизонтальных и отвесных слоёв с n- и р-проводимостями.
крупнейшему изменению подверглось конструкция катодного ряда n. Он разнесен на несколько сотен элементарных ячей, размеренно распределённых по площади и соединённых параллельно. таковское исполнение затребовано стремлением гарантировать ритмическое снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.
Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен буквально целостное полное, обладает здоровенное число контактов заворачивающего электрода (примерно равновеликое числу катодных ячеек), также размеренно распределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично отвечающему пласту обыкновенного тиристора.
Анодный слой p обладает шунты (зоны n), связывающие n-базу с анодным контактом спустя небольшие распределённые сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих попятной блокирующей способностью. Они уготованы для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшения обстоятельств извлечения зарядов из базовой области n.
Основное исполнение тиристоров GTO таблеточное с четырёхслойной кремниевой пластиной, зажатой спустя термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует заворачивающий электрод, владеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных кореш от кореша и располагающих конструкцию, определяемую молодчиком системы охлаждения.
Принцип деяния В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, коротающее состояние, выключение и блокирующее состояние.
На схематичном разрезе тиристорной структуры (рис. 1,б) нипочем вывод структуры анодный. Анод контактирует со рядом p.Затем снизу наверх следуют: базовый слой n, базовый слой p (имеющий вывод заворачивающего электрода), слой n, непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре ряда образуют три p-n перехода: j1 между пластами p и n; j2 между пластами n и p;j3 между пластами p и n.
Фаза 1 - включение. Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в коротающее (включение) вероятен единственно при приложении прямого усилия между анодом и катодом. Переходы j1 и j3 смещаются в прямом течении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Всё надсада прикладывается к посредственному переходу j2, какой смещается в попятном течении. возле перехода j2 образуется пояс, обеднённая носителями зарядов, получившая название- круг объёмного заряда. чтоб включить тиристор GTO, к распоряжающемуся электроду и катоду по цепи управления прикладывается надсада позитивной полярности U
(вывод "+" к пласту p). В итоге по цепи протекает ток включения I
.
закрываемые тиристоры предъявляют жёсткие требования к крутизне фронта dIG/dt и амплитуде IGM тока управления. спустя переход j3, кроме тока утечки, начинает течь ток включения I
. формирующие этот ток электроны будут инжектироваться из ряда n в слой p. дальше доля из них будет перебрасываться электрическим полем базового перехода j2 в слой n.
одновр/еменно умножится встречная инжекция дырок из ряда p в слой n и дальше в слой p, т.е. произойдёт увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов.
Cуммарный ток, идущий спустя базовый переход j2, превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носители зарядов будут праздно переходить спустя все его четыре области.
Фаза 2 - коротающее состояние. В порядке протекания прямого тока нету надобности в токе управления I
, если ток в цепи анода превышает величину тока удержания. Однако на практике для того, чтоб все структуры отключаемого тиристора всегдашне были в провождущем состоянии, всё же необходимо поддержание тока, предусмотренного для настоящего температурного режима. таковым образом, всё минута включения и коротающего состояния система управления формирует импульс тока позитивной полярности.
В провождущем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают ритмическое движение носителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок - в попятном направлении). спустя переходы j1, j2 протекает анодный ток, спустя переход j3 - суммарный ток анода и заворачивающего электрода.
Фаза 3 - выключение. Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности усилия U
(см. рис. 3) к распоряжающемуся электроду и катоду по цепи управления прикладывается надсада негативной полярности UGR. Оно порождает ток выключения, протекание коего ведёт к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом пласте p. прочими словами, происходит рекомбинация дырок, зачислившихся в слой p из базового ряда n, и электронов, зачислившихся в этот же слой по распоряжающемуся электроду.
По мере освобождения от них базового перехода j2 тиристор начинает замыкаться. Этот процесс характеризуется визгливым уменьшением прямого тока I
(см. рис. 2). залпом после запирания базового перехода j2 начинает закрываться переход j3, однако за счёт энергии, запасённой в индуктивности цепей управления он ещё кое-какое минута будет в приоткрытом состоянии.
Рис. 2. Графики изменения тока анода (iT) и заворачивающего электрода (iG)
После того, буквально вся энергия, запасённая в индуктивности цепи управления, будет израсходована, переход j3 со сторонки катода целиком закрывается. С этого момента ток спустя тиристор равновелик току утечки, какой протекает от анода к катоду спустя цепь заворачивающего электрода.
Процесс рекомбинации и, итак, выключения закрываемого тиристора во многом зависит от крутизны фронта dIGQ/dt и амплитуды I
заднего тока управления. чтоб гарантировать необходимые крутизну и амплитуду этого тока, на заворачивающий электрод требуется подать надсада UG, какое не следует превышать величины, позволительной для перехода j3.
Фаза 4 - блокирующее состояние.В порядке блокирующего состояния к распоряжающемуся электроду и катоду остаётся приложенным надсада негативной полярности U
от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток I
, заключающийся из тока утечки тиристора и заднего тока управления, идущего спустя переход j3. Переход j3 смещается в попятном течении. таковым образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2 и j3) смещены в попятном течении и образованы две области пространственного заряда.
Всё минута выключения и блокирующего состояния система управления формирует импульс негативной полярности.
Защитные цепи Использование тиристоров GTO, спрашивает применения особых защитных цепей. Они увеличивают массо-габаритные показатели, стоимость преобразователя, часом спрашивают добавочных остуживающих устройств, однако являют необходимыми для нормального функционирования приборов.
направление любой защитной цепи - ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи СВ (рис. 3) подключают параллельно отстаиваемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого усилия dUT/dt при выключении тиристора.
Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dIT/dt при включении тиристора. Значения dUT/dt и dIТ/dt для всякого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных настоящих на приборы.
Рис. 3. Схема защитной цепи
Кроме конденсаторов и дросселей, в защитных цепях используют лишние элементы, обеспечивающие разряд и заряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DВ, какой шунтирует резистор RВ при выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RВ, ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.
Система управления Система управления (СУ) кормит вытекающие функциональные блоки: вводящий линия, заключающийся из схемы формирования отпирающего импульса и ключа сигнала
для поддержания тиристора в разинутом состоянии; линия формирования закрывающего сигнала; линия поддержания тиристора в прихлопнутом состоянии.
Не для всех субъектов СУ нужны все перечисленные блоки, однако силуэты формирования отпирающих и закрывающих импульсов должна кормить всякая СУ. При этом необходимо гарантировать гальваническую развязку схемы управления и силовой цепи отключаемого тиристора.
Для управления работой отключаемого тиристора применяются две основные СУ, выделяющиеся способами подачи сигнала на заворачивающий электрод. В случае представленном на рис. 4, сигналы, формируемые логическим блоком St, подвергаются гальванической развязке (разделение потенциалов), после чего производится их подача спустя ключи SE и SA на заворачивающий электрод отключаемого тиристора Т. Во втором случае сигналы спервоначала воздействуют на ключи SE (включения) и SA (выключения), находящиеся под тем же потенциалом, что и СУ, затем спустя устройства гальванической развязки UE и UA подаются на заворачивающий электрод.
В подневольности от благоволения ключей SE и SA различают низкопотенциальные (НПСУ) и высокопотенциальные (ВПСУ, рис. 4) схемы управления.
Рис. 4. Вариант цепи управления
Система управления НПСУ конструктивно проще, чем ВПСУ, однако её возможности ограничены в взаимоотношении формирования заворачивающих сигналов здоровый длительности, работающих в порядке в порядке протекания спустя тиристор прямого тока, а также в обеспечении крутизны импульсов управления. Для формирования сигналов здоровый длительности тут приводится использовать более дорогие двухтактные схемы.
В ВПСУ писклявая крутизна и повышенная длительность заворачивающего сигнала достигается проще. Кроме того, тут сигнал управления используется целиком, в то минута буквально в НПСУ его размеры ограничивается устройством разделения потенциалов (например, импульсным трансформатором).
Информационный сигнал - команда на включение или выключение - всегдашне подаётся на схему спустя оптоэлектронный преобразователь.
В средине 90-х годов фирмами "ABB" и "Mitsubishi" был разработан новейший картина тиристоров Gate Commutated Thyristor (GCT). Собственно, GCT представляет дальнейшим усовершенствованием GTO, или е
|
