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Moderne Power Lockable Thyristoren

Einführung

Die Entwicklung von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik begann 1953, als es möglich wurde, hochreines Silizium und die Bildung großer Siliziumscheiben zu erhalten. 1955 wurde erstmals eine halbleitergesteuerte Vorrichtung geschaffen, die eine vierschichtige Struktur aufweist und als Thyristor bezeichnet wird.

Es wurde durch Anlegen eines Impulses an die Steuerelektrode bei einer positiven Spannung zwischen Anode und Kathode eingeschaltet. Das Ausschalten des Thyristors wird sichergestellt, indem der durch ihn fließende Gleichstrom auf Null reduziert wird, wofür viele Schemata von induktiv-kapazitiven Schaltkreisen entwickelt wurden. Sie erhöhen nicht nur die Kosten des Konverters, sondern verschlechtern auch dessen Gewichts- und Größenindikatoren und verringern die Zuverlässigkeit.

Daher begann gleichzeitig mit der Schaffung des Thyristors die Forschung, um dessen Abschaltung durch die Steuerelektrode sicherzustellen. Das Hauptproblem bestand darin, die schnelle Resorption von Ladungsträgern in den Basisbereichen sicherzustellen.

Die ersten derartigen Thyristoren erschienen 1960 in den USA. Sie werden als Gate Turn Off (GTO) bezeichnet. In unserem Land sind sie besser als abschließbare oder abschaltbare Thyristoren bekannt.

Mitte der 90er Jahre wurde ein abschließbarer Thyristor mit einem Ringausgang einer Steuerelektrode entwickelt. Es hieß Gate Commutated Thyristor (GCT) und war eine Weiterentwicklung der GTO-Technologie.

Thyristoren GTO

Gerät

Der abschließbare Thyristor ist ein vollständig steuerbares Halbleiterbauelement, das auf einer klassischen Vierschichtstruktur basiert. Schalten Sie es ein und aus, indem Sie positive und negative Stromimpulse an die Steuerelektrode anlegen. In Abb. 1 zeigt die Bezeichnung (a) und das Strukturdiagramm (b) des Ausschaltthyristors. Wie ein herkömmlicher Thyristor weist er eine Kathode K, eine Anode A und eine Steuerelektrode G auf. Unterschiede in den Strukturen der Bauelemente liegen in einer unterschiedlichen Anordnung horizontaler und vertikaler Schichten mit n- und p-Leitfähigkeiten.

Abb. 1. Abschließbarer Thyristor:
a - Symbol;
B-Block-Diagramm

Die Kathodenschicht n hat die größte Veränderung erfahren. Es ist in mehrere hundert Einheitszellen unterteilt, die gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Diese Konstruktion wird durch den Wunsch verursacht, eine gleichmäßige Stromabnahme über den gesamten Bereich der Halbleiterstruktur sicherzustellen, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet wird.

Die Basisschicht p hat trotz der Tatsache, dass sie als Ganzes hergestellt ist, eine große Anzahl von Kontakten der Steuerelektrode (ungefähr gleich der Anzahl von Kathodenzellen), die ebenfalls gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Die Basisschicht n ist ähnlich wie die entsprechende Schicht eines herkömmlichen Thyristors aufgebaut.

Die Anodenschicht p hat Nebenschlüsse (Zonen n), die die n-Basis über kleine verteilte Widerstände mit dem Anodenkontakt verbinden. Anoden-Shunts werden in Thyristoren verwendet, die keine Reverse-Blocking-Fähigkeit besitzen. Sie sollen die Ausschaltzeit der Vorrichtung reduzieren, indem sie die Bedingungen zum Extrahieren von Ladungen aus dem Basisbereich n verbessern.

Die Hauptversion von GTO-Thyristoren ist eine Tablette mit einem vierschichtigen Siliziumwafer, der zwischen wärmekompensierenden Molybdänscheiben zwischen zwei Kupferbasen mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit angeordnet ist. Eine Steuerelektrode in Kontakt mit dem Siliziumwafer hat eine Leitung in einem Keramikgehäuse. Die Vorrichtung wird durch die Kontaktflächen zwischen den beiden Hälften der Kühler geklemmt, die voneinander isoliert sind und eine Konstruktion aufweisen, die von der Art des Kühlsystems bestimmt wird.

Funktionsprinzip

Im GTO-Thyristorzyklus werden vier Phasen unterschieden: Ein, leitender Zustand, Aus und Sperrzustand.

Auf dem schematischen Abschnitt der Thyristorstruktur (Fig. 1, b) ist der untere Anschluss der Struktur eine Anode. Die Anode steht in Kontakt mit der Schicht p. Dann folgt von unten nach oben: eine Basisschicht n, eine Basisschicht p (mit einer Leitung der Steuerelektrode), eine Schicht n, die direkt mit der Kathodenleitung in Kontakt steht. Vier Schichten bilden drei pn-Übergänge: j1 zwischen den Schichten p und n; j2 zwischen den Schichten n und p; j3 zwischen den Schichten p und n.

Phase 1 - Aufnahme. Der Übergang der Thyristorstruktur vom Sperrzustand in den leitenden Zustand (Einschalten) ist nur durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen Anode und Kathode möglich. Die Übergänge j1 und j3 sind in Vorwärtsrichtung verschoben und behindern den Durchgang von Ladungsträgern nicht. Die gesamte Spannung wird an den mittleren j2-Übergang angelegt, der in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt ist. In der Nähe des j2-Übergangs wird eine an Ladungsträgern abgereicherte Zone gebildet, die als Raumladungsbereich bezeichnet wird. Um den Thyristor GTO einzuschalten, wird eine positive Polaritätsspannung U G an die Steuerelektrode und die Kathode entlang der Steuerschaltung angelegt (Anschluss "+" an die Schicht p). Infolgedessen fließt der Schaltstrom I G durch die Schaltung.

Abschließbare Thyristoren stellen strenge Anforderungen an die Kantensteilheit dIG / dt und die Amplitude des IGM-Steuerstroms. Zusätzlich zum Leckstrom j3 beginnt der Schaltstrom I G durch j3 zu fließen. Die Elektronen, die diesen Strom erzeugen, werden von Schicht n in Schicht p injiziert. Ferner werden einige von ihnen durch das elektrische Feld des Grundübergangs j2 auf die Schicht n übertragen.

Gleichzeitig nimmt die Gegeninjektion von Löchern von Schicht p zu Schicht n und dann zu Schicht p zu, d.h. Der Strom, der von Minderheitsbeteiligten erzeugt wird, wird zunehmen.

Der Gesamtstrom, der durch den Basis-j2-Übergang fließt, übersteigt den Schaltstrom, der Thyristor öffnet sich, wonach die Ladungsträger alle vier seiner Bereiche frei durchlaufen.

Phase 2 ist ein leitender Zustand. Im Gleichstromflussmodus ist kein Steuerstrom I G erforderlich, wenn der Strom im Anodenkreis den Wert des Haltestroms überschreitet. In der Praxis ist es jedoch weiterhin erforderlich, den für ein gegebenes Temperaturregime bereitgestellten Strom aufrechtzuerhalten, damit alle Strukturen des abgeschalteten Thyristors konstant in einem leitenden Zustand sind. Somit erzeugt das Steuersystem während des gesamten Einschalt- und Leitzustands einen Stromimpuls positiver Polarität.

Im leitenden Zustand sorgen alle Bereiche der Halbleiterstruktur für eine gleichmäßige Bewegung der Ladungsträger (Elektronen von der Kathode zur Anode, Löcher in entgegengesetzter Richtung). Der Anodenstrom fließt durch die Übergänge j1, j2, und der Gesamtstrom der Anode und der Steuerelektrode fließt durch den Übergang j3.

Phase 3 - Herunterfahren. Um den GTO-Thyristor bei unveränderter Spannungspolarität U T auszuschalten (siehe Fig. 3), wird über die Steuerschaltung eine Spannung UGR mit negativer Polarität an die Steuerelektrode und die Kathode angelegt. Es verursacht einen Ausschaltstrom, dessen Fluss zur Absorption der Hauptladungsträger (Löcher) in der Basisschicht p führt. Mit anderen Worten gibt es eine Rekombination von Löchern, die von der Basisschicht n in die Schicht p eintreten, und Elektronen, die durch die Steuerelektrode in dieselbe Schicht eintreten.

Wenn der Basisübergang j2 von ihnen befreit wird, beginnt der Thyristor zu verriegeln. Dieser Prozess ist gekennzeichnet durch eine starke Abnahme des Gleichstroms I T des Thyristors über einen kurzen Zeitraum auf einen kleinen Wert von I TQT (siehe Fig. 2). Unmittelbar nach dem Verriegeln der Basis j2 beginnt sich der Übergang j3 zu schließen. Aufgrund der in der Induktivität der Steuerkreise gespeicherten Energie befindet er sich jedoch noch einige Zeit in einem angelehnten Zustand.

Diagramme der Änderungen des Anodenstroms (iT) und der Steuerelektrode (iG)

Abb. 2. Diagramme der Änderungen des Stroms der Anode (iT) und der Steuerelektrode (iG)

Nachdem die gesamte in der Induktivität des Steuerkreises gespeicherte Energie aufgebraucht ist, ist der Übergang j3 von der Kathodenseite vollständig verriegelt. Ab diesem Moment ist der Strom durch den Thyristor gleich dem Leckstrom, der durch die Steuerelektrodenschaltung von der Anode zur Kathode fließt.

Der Prozess der Rekombination und damit des Ausschaltens des abschließbaren Thyristors hängt weitgehend von der Steilheit des vorderen dIGQ / dt und der Amplitude I GQ des Rückwärtssteuerstroms ab. Um die notwendige Steilheit und Amplitude dieses Stroms sicherzustellen, muss an die Steuerelektrode eine Spannung UG angelegt werden, die den für j3 zulässigen Wert nicht überschreiten darf.

Phase 4 - Sperrzustand. Im Sperrzustandsmodus bleibt die negative Polarität U GR von der Steuereinheit an der Steuerelektrode und der Kathode angelegt. Der Gesamtstrom I GR , der aus dem Thyristorleckstrom und dem durch j3 fließenden Rückstrom besteht, fließt durch den Steuerkreis. Der Übergang j3 wird in die entgegengesetzte Richtung verschoben. Somit werden in dem Thyristor GTO, der sich in einem direkten Blockierungszustand befindet, zwei Übergänge (j2 und j3) in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt und zwei Raumladungsbereiche gebildet.

Während des gesamten Abschalt- und Sperrzustands erzeugt das Steuersystem einen Impuls mit negativer Polarität.

Schutzketten

Die Verwendung von Thyristoren GTO erfordert die Verwendung spezieller Schutzschaltungen. Sie erhöhen das Gewicht und die Abmessungen, die Kosten des Konverters, erfordern manchmal zusätzliche Kühlvorrichtungen, sind jedoch für die normale Funktion der Vorrichtungen erforderlich.

Der Zweck jeder Schutzschaltung besteht darin, die Anstiegsgeschwindigkeit eines von zwei Parametern der elektrischen Energie beim Schalten eines Halbleiterbauelements zu begrenzen. In diesem Fall sind die Kondensatoren der CB-Schutzschaltung (Fig. 3) parallel zur geschützten Vorrichtung T geschaltet. Sie begrenzen die Anstiegsrate der Durchlassspannung dUT / dt, wenn der Thyristor ausgeschaltet wird.

Die Drosseln LE sind in Reihe mit der Vorrichtung T installiert. Sie begrenzen die Anstiegsgeschwindigkeit des Durchlassstroms dIT / dt, wenn der Thyristor eingeschaltet wird. Die dUT / dt- und dIT / dt-Werte für jedes Gerät werden normalisiert und in den Verzeichnissen und Passdaten der Geräte angegeben.

Schutzschaltbild

Abb. 3. Schutzschaltbild

Neben Kondensatoren und Drosseln werden in den Schutzkreisen zusätzliche Elemente eingesetzt, die die Entladung und Ladung der reaktiven Elemente sicherstellen. Dazu gehören: eine Diode DB, die den Widerstand RB überbrückt, wenn der Thyristor T ausgeschaltet und der Kondensator CB geladen wird, der Widerstand RB, der den Entladestrom des CB-Kondensators begrenzt, wenn der Thyristor T eingeschaltet wird.

Steuersystem

Das Steuersystem (SU) enthält die folgenden Funktionsblöcke: eine Schaltung, die eine Schaltung zum Erzeugen eines Triggerimpulses und eine Signalquelle zum Halten des Thyristors im offenen Zustand umfasst; Schleifenbildende Signalschleife; Thyristor mit geschlossenem Kreislauf.

Nicht alle aufgelisteten Blöcke werden für alle Arten von Steuerungssystemen benötigt, aber jedes Steuerungssystem muss die Konturen der Bildung von Entriegelungs- und Verriegelungsimpulsen enthalten. In diesem Fall ist eine galvanische Trennung des Steuerkreises und des Stromkreises des Ausschaltthyristors erforderlich.

Um den Betrieb des Abschaltthyristors zu steuern, werden zwei Hauptsteuersysteme verwendet, die sich in der Art der Zufuhr des Signals zur Steuerelektrode unterscheiden. In dem in Abb. In 4 sind die vom Logikblock St erzeugten Signale galvanisch isoliert (Potentialtrennung), wonach sie über die Schlüssel SE und SA der Steuerelektrode des Thyristors T zugeführt werden. Im zweiten Fall wirken die Signale zuerst auf die Schlüssel SE (ein) und SA (aus). ), die unter dem gleichen Potential wie das Steuersystem liegen, werden dann über die galvanischen Trennvorrichtungen UE und UA der Steuerelektrode zugeführt.

Abhängig von der Position der Tasten unterscheiden SE und SA zwischen Steuerkreisen mit niedrigem Potential (NPSU) und hohem Potential (VPSU, Abb. 4).

Steuerkreisoption

Abb. 4. Optionssteuerkreis

Das Steuersystem der NPSU ist strukturell einfacher als die VPSU, jedoch sind seine Fähigkeiten hinsichtlich der Bildung von Steuersignalen von langer Dauer begrenzt, die im Modus im Strömungsmodus durch den Thyristor-Gleichstrom arbeiten, sowie um die Steilheit der Steuerimpulse sicherzustellen. Für die Bildung von Signalen von langer Dauer ist es notwendig, teurere Gegentaktschaltungen zu verwenden.

Bei VPSU wird eine hohe Steilheit und eine längere Dauer des Steuersignals leichter erreicht. Außerdem wird hier das Steuersignal vollständig genutzt, während in der NPSU sein Wert durch eine Potentialtrennvorrichtung (zum Beispiel einen Impulstransformator) begrenzt wird.

Ein Informationssignal - ein Befehl zum Ein- oder Ausschalten - wird normalerweise über einen optoelektronischen Wandler in die Schaltung eingespeist.

Thyristoren GCT

Mitte der 90er Jahre entwickelten ABB und Mitsubishi einen neuen Typ eines Gate Commutated Thyristor (GCT) -Thyristors. Tatsächlich ist GCT eine weitere Verbesserung von GTO oder dessen Modernisierung. Das grundlegend neue Design der Steuerelektrode sowie die deutlich unterschiedlichen Prozesse beim Ausschalten des Geräts machen es jedoch ratsam, dies in Betracht zu ziehen.

GCT wurde als Gerät ohne die für GTO charakteristischen Nachteile entwickelt. Sie müssen sich also zunächst mit den Problemen befassen, die während des Betriebs von GTO auftreten.

Der Hauptnachteil von GTO ist der große Energieverlust in den Schutzschaltungen des Geräts beim Schalten. Das Erhöhen der Frequenz erhöht die Verluste, daher werden GTO-Thyristoren in der Praxis mit einer Frequenz von nicht mehr als 250-300 Hz geschaltet. Die Hauptverluste treten im Widerstand RB (siehe Fig. 3) auf, wenn der Thyristor T ausgeschaltet wird und daher die Entladung des CB-Kondensators.

Der CB-Kondensator ist so ausgelegt, dass er die Anstiegsgeschwindigkeit der Durchlassspannung du / dt beim Ausschalten des Geräts begrenzt. Nachdem der Thyristor unempfindlich gegenüber dem du / dt-Effekt gemacht wurde, haben wir die Möglichkeit geschaffen, die im GCT-Design implementierte Snubber-Schaltung (Schalttrajektorienbildungsschaltung) aufzugeben.

Management- und Designmerkmal

Das Hauptmerkmal von GCT-Thyristoren im Vergleich zu GTO-Geräten ist ein schnelles Herunterfahren, das sowohl durch Ändern des Steuerprinzips als auch durch Verbessern des Gerätedesigns erreicht wird. Ein schnelles Herunterfahren wird realisiert, indem die Thyristorstruktur bei verriegeltem Gerät in einen Transistor umgewandelt wird, wodurch das Gerät unempfindlich gegenüber dem du / dt-Effekt wird.

Die GCT in den Phasen des Einschluss-, Leitungs- und Blockierungszustands wird auf die gleiche Weise wie die GTO gesteuert. Im ausgeschalteten Zustand verfügt die GCT-Steuerung über zwei Funktionen:

  • der Steuerstrom Ig ist gleich oder größer als der Anodenstrom Ia (für Thyristoren ist GTO Ig 3-5 mal kleiner);
  • Die Steuerelektrode hat eine niedrige Induktivität, wodurch eine Anstiegsrate des Steuerstroms dig / dt von 3000 A / μs oder mehr erreicht werden kann (für GTO-Thyristoren beträgt der Wert von dig / dt 30-40 A / μs).

Stromverteilung in der Struktur des GCT-Thyristors beim Ausschalten

Abb. 5. Stromverteilung in der Struktur des GCT-Thyristors beim Ausschalten

In Abb. 5 zeigt die Stromverteilung in der Struktur des GCT-Thyristors, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet ist. Wie angegeben, ähnelt der Einschaltvorgang dem Einschalten der GTO-Thyristoren. Der Abschaltvorgang ist anders. Nach dem Anlegen eines negativen Steuerimpulses (-Ig), dessen Größe dem Anodenstrom (Ia) entspricht, wird der gesamte durch die Vorrichtung fließende Gleichstrom in das Steuersystem abgelenkt und erreicht die Kathode unter Umgehung des j3-Übergangs (zwischen den Bereichen p und n). Der j3-Übergang ist in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt, und der Kathodentransistor npn ist geschlossen. Das weitere Ausschalten des GCT ähnelt dem Ausschalten eines Bipolartransistors, der keine externe Begrenzung des Vorwärtsspannungsanstiegs du / dt erfordert und daher das Fehlen einer Dämpfungskette ermöglicht.

Die Änderung im Design des GCT ist darauf zurückzuführen, dass die dynamischen Prozesse, die beim Herunterfahren im Gerät auftreten, ein bis zwei Größenordnungen schneller ablaufen als bei GTO. Wenn also die minimale Ausschalt- und Blockierungszeit für GTO 100 μs beträgt, überschreitet dieser Wert für GCT 10 μs nicht. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Steuerstroms beim Ausschalten des GCT beträgt 3000 A / μs, GTO überschreitet 40 A / μs nicht.

Um eine hohe Dynamik der Schaltvorgänge zu gewährleisten, haben wir das Design des Ausgangs der Steuerelektrode und die Verbindung des Geräts mit dem Impulsformer des Steuerungssystems geändert. Die Schlussfolgerung wird kreisförmig gezogen und umgibt das Gerät um den Umfang. Der Ring geht durch das Keramikgehäuse des Thyristors und berührt: innen mit Zellen der Steuerelektrode; außen mit einer Platte, die die Steuerelektrode mit dem Impulsformer verbindet.

Jetzt werden GTO-Thyristoren von mehreren großen Unternehmen in Japan und Europa hergestellt: Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, ABB, Eupec. UDRM-Spannungsparameter: 2500 V, 4500 V, 6000 V; Strom ITGQM (maximal wiederholbarer abschließbarer Strom): 1000 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A, 6000 A.

GCT-Thyristoren werden von Mitsubishi und ABB hergestellt. Die Geräte sind für Spannungs-UDRM bis 4500 V und Strom-ITGQM bis 4000 A ausgelegt.

Derzeit wurden die Thyristoren GCT und GTO bei der russischen Firma OAO Elektrovypryamitel (Saransk) entwickelt. Thyristoren der Serien TZ-243, TZ-253, TZ-273, ZTA-173, ZTA-193, ZTF-193 (ähnlich wie GCT) ) und andere mit einem Siliziumwaferdurchmesser von bis zu 125 mm und einem Spannungsbereich von UDRM 1200 - 6000 V und Strömen ITGQM 630 - 4000 A.

Parallel zu den abschließbaren Thyristoren und für deren Verwendung entwickelte und beherrschte Elektrovypryamitel OJSC in der Massenproduktion schnell montierte Dioden für Dämpfungs- (Dämpfungs-) Schaltkreise und Rückstromdioden sowie einen leistungsstarken Impulstransistor für Steuertreiber-Ausgangsstufen (Steuersystem).

Thyristoren IGCT

Dank des Konzepts der strengen Kontrolle (Feinregulierung von Legierungsprofilen, Mesotechnologie, Protonen- und Elektronenbestrahlung zur Erzeugung einer speziellen Verteilung kontrollierter Rekombinationszentren, der Technologie sogenannter transparenter oder dünner Emitter, der Verwendung einer Pufferschicht im n-Base-Bereich usw.) wurde eine signifikante Verbesserung der GTO-Eigenschaften erreicht wenn ausgeschaltet. Die nächste große Errungenschaft in der Technologie des streng gesteuerten GTO (HD GTO) in Bezug auf Instrumentierung, Steuerung und Anwendung war die Idee von gesteuerten Instrumenten, die auf dem neuen "abschließbaren Thyristor mit integrierter Steuereinheit (Treiber)" (Eng. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)) basieren. . Dank der harten Steuerungstechnologie erhöht ein gleichmäßiges Schalten den IGCT-sicheren Betriebsbereich auf die durch den Lawinenzusammenbruch begrenzten Grenzen, d. H. zu den physikalischen Fähigkeiten von Silizium. Es sind keine Schutzschaltungen gegen du / dt-Überschuss erforderlich. Die Kombination mit verbesserten Indikatoren für Leistungsverluste ermöglichte es uns, neue Anwendungen im Kilohertz-Bereich zu finden. Die für die Steuerung erforderliche Leistung ist im Vergleich zu Standard-GTOs um das Fünffache reduziert, hauptsächlich aufgrund des transparenten Designs der Anode. Die neue IGCT-Gerätefamilie mit monolithisch integrierten Hochleistungsdioden wurde für den Einsatz im Bereich von 0,5 bis 6 MV * A entwickelt. Mit der vorhandenen technischen Machbarkeit einer seriellen und parallelen Verbindung ermöglichen IGCT-Geräte eine Erhöhung des Leistungspegels auf mehrere hundert Megavolt - Ampere.

Bei einer integrierten Steuereinheit nimmt der Kathodenstrom ab, bevor die Anodenspannung zu steigen beginnt. Dies wird durch die sehr geringe Induktivität der Steuerelektrodenschaltung erreicht, die durch die koaxiale Verbindung der Steuerelektrode in Kombination mit einer Mehrschichtplatine der Steuereinheit realisiert wird. Dadurch wurde es möglich, einen Ausschaltstromwert von 4 kA / μs zu erreichen. Bei einer Steuerspannung von UGK = 20 V fließt der verbleibende Anodenstrom zur Steuereinheit, die zu diesem Zeitpunkt einen niedrigen Widerstand aufweist, wenn der Kathodenstrom gleich Null wird. Dadurch wird der Energieverbrauch der Steuereinheit minimiert.

Bei Betrieb unter "harter" Steuerung schaltet der Thyristor um, wenn er in 1 μs vom pnpn-Zustand in den pnp-Modus wechselt. Das Ausschalten erfolgt vollständig im Transistormodus, wodurch die Möglichkeit eines Triggereffekts ausgeschlossen wird.

Die Verringerung der Dicke der Vorrichtung wird durch die Verwendung einer Pufferschicht an der Seite der Anode erreicht. Die Pufferschicht aus Leistungshalbleitern verbessert die Eigenschaften herkömmlicher Elemente, indem ihre Dicke bei gleicher direkter Durchbruchspannung um 30% verringert wird. Der Hauptvorteil dünner Elemente ist die Verbesserung der technologischen Eigenschaften bei geringen statischen und dynamischen Verlusten. Eine solche Pufferschicht in einer Vierschichtvorrichtung erfordert die Beseitigung von Anodenkurzschlüssen, gleichzeitig wird jedoch die effektive Freisetzung von Elektronen während des Abschaltens aufrechterhalten. In der neuen IGCT wird die Pufferschicht mit einem transparenten Anodenemitter kombiniert. Eine transparente Anode ist ein pn-Übergang mit stromgesteuerter Emittereffizienz.

Für maximale Störfestigkeit und Kompaktheit umgibt die Steuereinheit das IGCT, bildet ein einziges Design mit einem Kühler und enthält nur den Teil des Stromkreises, der zur direkten Steuerung des IGCT erforderlich ist. Dadurch wird die Anzahl der Elemente der Steuereinheit reduziert, die Parameter Wärmeableitung, elektrische und thermische Überlastung werden reduziert. Daher werden auch die Kosten der Steuereinheit und die Ausfallrate erheblich reduziert. Das IGCT mit seiner integrierten Steuereinheit lässt sich einfach im Modul befestigen und über Glasfaser präzise mit der Stromversorgung und der Steuersignalquelle verbinden. Durch einfaches Öffnen der Feder wird dank des gut entwickelten Klemmkontaktsystems eine korrekt berechnete Klemmkraft auf das IGCT ausgeübt, wodurch ein elektrischer und thermischer Kontakt entsteht. Somit werden maximale Montageerleichterungen und maximale Zuverlässigkeit erreicht. Wenn IGCT ohne Dämpfer arbeitet, muss die Sperrdiode auch ohne Dämpfer arbeiten. Diese Anforderungen werden von einer Hochleistungsdiode in einem Klemmgehäuse mit verbesserten Eigenschaften erfüllt, die im Bestrahlungsverfahren in Kombination mit klassischen Verfahren hergestellt wird. Die Möglichkeiten zur Bereitstellung von di / dt werden durch den Betrieb der Diode bestimmt (siehe Abb. 6).

Vereinfachte dreiphasige Wechselrichterschaltung am IGCT

Abb. 6. Vereinfachte dreiphasige Wechselrichterschaltung am IGCT

Der Haupthersteller der IGCT-Firma "ABB". Parameter der Thyristoren für die Spannung U DRM : 4500 V, 6000 V; Aktuelles ITGQM: 3000 A, 4000 A.

Fazit

Die rasante Entwicklung der Leistungstransistortechnologie in den frühen 90er Jahren führte zur Entstehung einer neuen Klasse von Bauelementen - Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Die Hauptvorteile von IGBT sind hohe Betriebsfrequenz, Effizienz, Einfachheit und Kompaktheit der Steuerkreise (aufgrund des geringen Steuerstroms).

Das Aufkommen von IGBT in den letzten Jahren mit einer Betriebsspannung von bis zu 4500 V und der Fähigkeit, Ströme bis zu 1800 A umzuschalten, hat dazu geführt, dass abschließbare Thyristoren (GTO) in Geräten bis zu 1 MW und einer Spannung von bis zu 3,5 kV verschoben wurden.

Die neuen IGCT-Geräte, die mit Schaltfrequenzen von 500 Hz bis 2 kHz arbeiten können und im Vergleich zu IGBT-Transistoren höhere Parameter aufweisen, kombinieren jedoch die optimale Kombination bewährter Thyristortechnologien mit ihren inhärenten geringen Verlusten und einer hochwirksamen Abschalttechnologie ohne Einwahl, indem sie darauf einwirken Steuerelektrode. Das IGCT ist heute eine ideale Lösung für Mittel- und Hochspannungs-Leistungselektronikanwendungen.

Die Eigenschaften moderner leistungsstarker Leistungsschalter mit doppelseitigem Kühlkörper sind in der Tabelle aufgeführt. 1.

Tabelle 1. Eigenschaften moderner leistungsstarker Leistungsschalter mit doppelseitigem Kühlkörper

Gerätetyp Die Vorteile Nachteile Anwendungsbereiche
Traditioneller Thyristor (SCR) Die niedrigsten Verluste beim Einschalten. Höchste Überlastfähigkeit. Hohe Zuverlässigkeit. Einfach parallel und in Reihe zu schalten. Kann die Steuerelektrode nicht zwangsweise verriegeln. Niedrige Betriebsfrequenz. Gleichstromantrieb; leistungsstarke Stromquellen; Schweißen; Schmelzen und Erhitzen; statische Kompensatoren; Wechselstromtasten
GTO Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Relativ hohe Überlastfähigkeit. Möglichkeit der seriellen Verbindung. Betriebsfrequenzen bis 250 Hz bei Spannungen bis 4 kV. Hohe Verluste beim Einschalten. Sehr große Verluste im Steuerungssystem. Anspruchsvolle Steuerungs- und Energieversorgungssysteme für Potenzial. Großer Schaltverlust. Elektrischer Antrieb; statische Kompensatoren, Blindleistung; unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, Induktionsheizung
IGCT Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Die Überlastkapazität entspricht der des GTO. Geringe Verluste beim Einschalten. Betriebsfrequenz - bis zu Einheiten, kHz. Eingebautes Steuergerät (Fahrer). Möglichkeit der seriellen Verbindung. Aufgrund mangelnder Betriebserfahrung nicht identifiziert Leistungsstarke Stromquellen (Wechselrichter- und Gleichrichterstationen von Gleichstromübertragungsleitungen); elektrischer Antrieb (Spannungswechselrichter für Frequenzumrichter und elektrische Antriebe für verschiedene Zwecke)
IGBT Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Die höchste Betriebsfrequenz (bis zu 10 kHz). Einfaches nicht energieintensives Steuerungssystem. Der eingebaute Treiber. Sehr hohe Verluste beim Einschalten. Elektrischer Antrieb (Häcksler); unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; statische Kompensatoren und aktive Filter; wichtige Netzteile