К.Д. Рогачёв
Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники затеялось в 1953 г. когда стало мыслимым получение кремния тонкой чистоты и формирование кремниевых дисков максимальных 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 куча схем индуктивно-ёмкостных абрисов коммутации. Они не токмо увеличивают стоимость преобразоваеля, однако и ухудшают его массо-габаритные показатели,снижают надёжность.
отчего одновр/еменно с созданием тиристора затеялись изыскания, сосредоточенные на обеспечение его выключения по распоряжающемуся электроду. центральная проблема заключалась в обеспечении быстроходного рассасывания носителей зарядов в базовых сферах.
Первые подобные тиристоры показались в 1960 г. в США. Они получили звание Gate Turn Off (GTO). В нашей палестине они здоровеннее имениты словно закрываемые или отключаемые тиристоры.
В половине 90-х годов был разработан закрываемый тиристор с кольцевым выводом заправляющего 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. подключают и отсоединяют его подачей позитивного и негативного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 1 повергнуты условное обозначение (а) и структурная схема (б) отсоединяемого тиристора.
Подобно всегдашнему тиристору он обладает катод K, анод А, правящий электрод G. несходства в структурах приборов заключается в другом благоволении горизонтальных и отвесных слоёв с n- и р-проводимостями.
величайшему изменению подверглось конструкция катодного ряда n. Он сокрушен на несколько сотен элементарных ячей, размеренно распределённых по площади и соединённых параллельно. экое исполнение призвано стремлением гарантировать ритмичное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.
Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен словно монолитное круглое, обладает огромное число контактов заправляющего электрода (примерно равновеликое числу катодных ячеек), также размеренно распределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично отвечающему пласту всегдашнего 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 оборотной блокирующей способностью. Они сужены 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 правящий электрод, владеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных кореш от кореша и обладающих конструкцию, определяемую молодчиком системы охлаждения.
Принцип деяния В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, провождущее состояние, выключение и блокирующее состояние.
На схематичном разрезе тиристорной структуры (рис. 1,б) исподний вывод структуры анодный. Анод контактирует со пластом p.Затем снизу ввысь следуют: базовый слой n, базовый слой p (имеющий вывод заправляющего 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 провождущее (включение) вероятен токмо при приложении прямого усилия между анодом и катодом. Переходы j1 и j3 смещаются в прямом течении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Всё натуга прикладывается к посредственному переходу j2, какой смещается в заднем течении. близ перехода j2 образуется полоса, обеднённая носителями зарядов, получившая название- круг объёмного заряда. чтоб включить тиристор GTO, к распоряжающемуся электроду и катоду по цепи управления прикладывается натуга позитивной полярности U
(вывод "+" к пласту p). В плоде 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
. учреждающие этот ток электроны будут инжектироваться из ряда n в слой p. ниже доля из них будет перебрасываться электрическим полем базового перехода j2 в слой n.
одновр/еменно вырастет встречная инжекция дырок из ряда p в слой n и ниже в слой p, т.е. произойдёт увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов.
Cуммарный ток, протекающий спустя базовый переход j2, превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носители зарядов будут беспрепятственно переходить спустя все его четыре области.
Фаза 2 - провождущее состояние. В порядке протекания прямого тока дудки надобности в токе управления I
, если ток в цепи анода превышает величину тока удержания. Однако на практике для того, чтоб все структуры отсоединяемого тиристора константно пребывали в коротающем состоянии, всё же необходимо поддержание тока, предусмотренного для настоящего температурного режима. эдаким образом, всё времена включения и коротающего состояния система управления формирует импульс тока позитивной полярности.
В коротающем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают ритмичное движение носителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок - в заднем направлении). спустя переходы j1, j2 протекает анодный ток, спустя переход j3 - суммарный ток анода и заправляющего 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 натуга негативной полярности UGR. Оно поднимает ток выключения, протекание коего ведёт к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом пласте p. иными словами, происходит рекомбинация дырок, устроившихся в слой p из базового ряда n, и электронов, устроившихся в этот же слой по распоряжающемуся электроду.
По мере освобождения от них базового перехода j2 тиристор начинает закрываться. Этот процесс характеризуется пронзительным уменьшением прямого тока I
(см. рис. 2). разом после запирания базового перехода j2 начинает закрываться переход j3, однако за счёт энергии, запасённой в индуктивности цепей управления он ещё кое-какое времена будет в приоткрытом состоянии.
Рис. 2. Графики изменения тока анода (iT) и заправляющего электрода (iG)
После того, словно 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 заправляющего электрода.
Процесс рекомбинации и, следственно, выключения закрываемого тиристора во многом зависит от крутизны фронта dIGQ/dt и амплитуды I
попятного тока управления. чтоб гарантировать необходимые крутизну и амплитуду этого тока, на правящий электрод требуется подать натуга UG, кое не следует превышать величины, позволительной для перехода j3.
Фаза 4 - блокирующее состояние.В порядке блокирующего состояния к распоряжающемуся электроду и катоду остаётся приложенным натуга негативной полярности U
от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток I
, заключающийся из тока утечки тиристора и попятного тока управления, протекающего спустя переход j3. Переход j3 смещается в заднем течении. эдаким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2 и j3) смещены в заднем течении и образованы две области пространственного заряда.
Всё времена выключения и блокирующего состояния система управления формирует импульс негативной полярности.
Защитные цепи Использование тиристоров GTO, спрашивает применения особенных защитных цепей. Они увеличивают массо-габаритные показатели, стоимость преобразователя, порой спрашивают лишних остуживающих устройств, однако изображают 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 добавочные 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) заключает вытекающие функциональные блоки: вводящий линия, заключающийся из схемы формирования отпирающего импульса и ключа сигнала
для поддержания тиристора в раскрытом состоянии; линия формирования закрывающего сигнала; линия поддержания тиристора в прихлопнутом состоянии.
Не для всех субъектов СУ нужны все перечисленные блоки, однако абрисы формирования отпирающих и закрывающих импульсов должна кормить всякая СУ. При этом необходимо гарантировать гальваническую развязку схемы управления и силовой цепи отсоединяемого тиристора.
Для управления работой отсоединяемого тиристора применяются две основные СУ, выделяющиеся способами подачи сигнала на правящий 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 правящий электрод отсоединяемого тиристора Т. Во втором случае сигналы поначалу 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 правящий 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 распоряжающихся сигналов большенный длительности, функционирующих в порядке в порядке протекания спустя тиристор прямого тока, а также в обеспечении крутизны импульсов управления. Для формирования сигналов большенный длительности тут приводится использовать более дорогие двухтактные схемы.
В ВПСУ писклявая крутизна и приумноженная длительность заправляющего сигнала достигается проще. Кроме того, тут сигнал управления используется целиком, в то времена словно в НПСУ его размер ограничивается устройством разделения потенциалов (например, импульсным трансформатором).
Информационный сигнал - команда на включение или выключение - обыкновенно подаётся на схему спустя оптоэлектронный преобразователь.
В половине 90-х годов фирмами "ABB" и "Mitsubishi" был разработан новоиспеченный облик тиристоров Gate Commutated Thyristor (GCT). Собственно, GCT являет дальнейшим усовершенствованием GTO, или его модернизацией. Однако, принц
|
