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Moderne abschließbare Thyristoren

Einleitung

Die Herstellung von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik begann 1953, als es möglich wurde, hochreines Silizium herzustellen und große Siliziumscheiben zu bilden. 1955 wurde erstmals ein halbleitergesteuertes Bauelement geschaffen, das eine vierschichtige Struktur aufweist und als Thyristor bezeichnet wird.

Es wurde durch Anlegen eines Impulses an die Steuerelektrode mit einer positiven Spannung zwischen der Anode und der Kathode eingeschaltet. Das Ausschalten des Thyristors erfolgt durch Verringern des durch ihn fließenden Gleichstroms auf Null, für das viele Schemata von induktiv-kapazitiven Schaltkreisen entwickelt wurden. Sie erhöhen nicht nur die Kosten des Transformators, sondern verschlechtern auch dessen Masseparameter und verringern die Zuverlässigkeit.

Daher begannen gleichzeitig mit der Schaffung des Thyristors Studien, dessen Abschaltung über die Steuerelektrode sicherzustellen. Das Hauptproblem bestand darin, die schnelle Resorption von Ladungsträgern in den Grundflächen 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 abgeschaltete Thyristoren bekannt.

Mitte der 90er Jahre wurde ein sperrbarer Thyristor mit einem Ringausgang der Steuerelektrode entwickelt. Es wurde als Gate Commutated Thyristor (GCT) bezeichnet und entwickelte die GTO-Technologie weiter.

Thyristor GTO

Gerät

Der sperrbare Thyristor ist ein vollständig gesteuertes Halbleiterbauelement, das auf der klassischen Vierschichtstruktur basiert. Ein- und Ausschalten durch Anlegen von positiven und negativen Stromimpulsen an die Steuerelektrode. In Abb. Fig. 1 zeigt das Symbol (a) und das Blockschaltbild (b) des ausgeschalteten Thyristors. Wie ein herkömmlicher Thyristor weist er eine Kathode K, eine Anode A, eine Steuerelektrode G auf. Unterschiede in der Struktur von Bauelementen bestehen in einer unterschiedlichen Anordnung von horizontalen und vertikalen Schichten mit n- und p-Leitfähigkeiten.

Abb. 1. Abschließbarer Thyristor:
a - Symbol;
b-Blockschaltbild

Die Vorrichtung der Kathodenschicht n hat die größte Änderung erfahren. Es ist in mehrere hundert Elementarzellen aufgeteilt, gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet. Dieses Design wird durch den Wunsch verursacht, eine gleichmäßige Abnahme des Stroms über die gesamte Fläche der Halbleiterstruktur sicherzustellen, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet wird.

Die Basisschicht p weist trotz ihrer Einheitlichkeit eine große Anzahl von Kontakten der Steuerelektrode (etwa gleich der Anzahl der Kathodenzellen) auf, die ebenfalls gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Die Basisschicht n ist ähnlich der entsprechenden Schicht eines herkömmlichen Thyristors hergestellt.

Die Anodenschicht p weist Nebenschlüsse (Zonen n) auf, die die n-Basis über kleine verteilte Widerstände mit dem Anodenkontakt verbinden. Anoden-Shunts werden in Thyristoren verwendet, die kein Sperrvermögen besitzen. Sie sollen die Ausschaltzeit des Geräts verkürzen, indem sie die Bedingungen für die Entnahme von Ladungen aus der Grundfläche n verbessern.

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

Funktionsprinzip

Im Betriebszyklus des Thyristors GTO werden vier Phasen unterschieden: Ein, Leiten, Aus und Sperren.

Auf dem schematischen Ausschnitt der Thyristorstruktur (Fig. 1, b) ist der untere Ausgang der anodischen Struktur dargestellt. Die Anode steht mit der Schicht p in Kontakt. Dann folgen von unten nach oben: Basisschicht n, Basisschicht p (mit einer Steuerelektrodenleitung), Schicht n in direktem Kontakt mit der Kathodenleitung. 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 - Einschalten. Der Übergang der Thyristorstruktur vom Sperrzustand in den leitenden Zustand (Einschluss) ist nur möglich, wenn zwischen der Anode und der Kathode eine Gleichspannung anliegt. Übergänge j1 und j3 sind in Vorwärtsrichtung verschoben und stören den Durchgang von Ladungsträgern nicht. Die gesamte Spannung wird an den mittleren j2-Übergang angelegt, der in die entgegengesetzte Richtung verschoben ist. In der Nähe des j2-Übergangs wird eine Zone gebildet, die an Ladungsträgern abgereichert ist und als Raumladungsbereich bezeichnet wird. Um den Thyristor GTO einzuschalten, wird eine positive Polarität U G an die Steuerelektrode und die Kathode entlang der Steuerschaltung angelegt (Pin "+" zur Schicht p). Infolgedessen fließt der Schaltstrom I G durch die Schaltung.

Sperrbare Thyristoren stellen hohe Anforderungen an die Steilheit der dIG / dt-Front und die Amplitude des Steuerstroms IGM. Durch den j3-Übergang beginnt neben dem Leckstrom der Einschaltstrom I G 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 Basis-j2-Übergangs auf die Schicht n übertragen.

Gleichzeitig nimmt die Gegeninjektion von Löchern von der Schicht p in die Schicht n und weiter in die Schicht p zu, d.h. Es wird eine Erhöhung des von den kleineren Ladungsträgern erzeugten Stroms geben.

Der Gesamtstrom, der durch den Basis-j2-Übergang fließt, überschreitet den Schaltstrom, der Thyristor wird geöffnet, wonach Ladungsträger frei durch alle vier seiner Bereiche fließen.

Phase 2 - leitender Zustand. Im Gleichstrommodus wird kein Steuerstrom I benötigt, wenn der Strom im Anodenstromkreis den Wert des Haltestroms überschreitet. In der Praxis ist es jedoch weiterhin erforderlich, den für diesen Temperaturmodus bereitgestellten Strom aufrechtzuerhalten, damit alle Strukturen des abgeschalteten Thyristors ständig in einem leitenden Zustand sind. Während des Einschaltens und des Leitens des Zustands erzeugt das Steuersystem somit einen Stromimpuls mit positiver Polarität.

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

Phase 3 - Herunterfahren. Um den GTO-Thyristor mit einer konstanten Spannungspolarität U T (siehe Fig. 3) auszuschalten, wird entlang des Steuerkreises eine negative Spannung UGR an die Steuerelektrode und die Kathode angelegt. Es entsteht ein Abschaltstrom, dessen Fluss zur Resorption der Hauptladungsträger (Löcher) in der Basisschicht p führt. Mit anderen Worten, es gibt eine Rekombination von Löchern, die von der Basisschicht n in die p-Schicht eingetreten sind, und Elektronen, die durch die Steuerelektrode in die gleiche Schicht eingetreten sind.

Wenn der Basisübergang j2 von ihnen befreit wird, beginnt der Thyristor zu sperren. Dieser Vorgang ist gekennzeichnet durch einen starken Abfall des Durchlassstroms I T des Thyristors in kurzer Zeit auf einen kleinen Wert I TQT (siehe Fig. 2). Unmittelbar nach dem Verriegeln des Basisübergangs j2 beginnt sich der Übergang j3 zu schließen, befindet sich jedoch aufgrund der in der Induktivität der Steuerkreise gespeicherten Energie noch einige Zeit im angelehnten Zustand.

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

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

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

Der Vorgang der Rekombination und damit des Ausschaltens des sperrbaren Thyristors hängt stark von der Steilheit des vorderen dIGQ / dt und der Amplitude I GQ des Rückwärtssteuerstroms ab. Um die erforderliche Steilheit und Amplitude dieses Stroms bereitzustellen, muss an die Steuerelektrode eine Spannung UG angelegt werden, die den für den j3-Übergang zulässigen Wert nicht überschreiten sollte.

Phase 4 - Sperrzustand: Im Sperrzustand bleibt eine negative Polaritätsspannung U GR vom Steuergerät an der Steuerelektrode und der Kathode anliegen. Durch die Steuerschaltung fließt ein Gesamtstrom I GR , der aus einem Thyristor-Leckstrom und einem durch den j3-Übergang fließenden Rückwärtssteuerstrom besteht. Übergang j3 wird in die entgegengesetzte Richtung verschoben. Somit sind in dem Thyristor GTO, der sich in dem direkten Sperrzustand befindet, zwei Übergänge (j2 und j3) in die entgegengesetzte Richtung verschoben und zwei Raumladungsbereiche werden gebildet.

Während der gesamten Unterbrechung und Blockierung des Steuersystems wird ein Impuls mit negativer Polarität erzeugt.

Schutzketten

Die Verwendung von Thyristoren GTO erfordert die Verwendung spezieller Schutzschaltungen. Sie erhöhen die massendimensionalen Parameter, verteuern den Umrichter, erfordern manchmal zusätzliche Kühlvorrichtungen, sind jedoch für die normale Funktion der Geräte notwendig.

Der Zweck einer Schutzschaltung besteht darin, die Anstiegsrate eines der beiden Parameter der elektrischen Energie beim Schalten eines Halbleiterbauelements zu begrenzen. In diesem Fall sind die Kondensatoren der Schutzschaltung CB (Fig. 3) parallel zum geschützten Bauelement T geschaltet. Sie begrenzen die Anstiegsrate der Durchlassspannung dUT / dt, wenn der Thyristor ausgeschaltet ist.

LE-Drosseln werden in Reihe mit dem Gerät T installiert. Sie begrenzen die Anstiegsrate des Gleichstroms dIT / dt, wenn der Thyristor eingeschaltet wird. Die Werte von dUT / dt und dIТ / dt für jedes Gerät sind normalisiert und in Referenzbüchern und Passdaten auf Geräten angegeben.

Schutzschaltplan

Abb. 3. Schutzschaltplan

Neben Kondensatoren und Drosseln werden in Schutzschaltungen zusätzliche Elemente eingesetzt, die die Entladung und Aufladung von reaktiven Elementen sicherstellen. Dazu gehören: eine Diode DB, die den Widerstand RВ überbrückt, wenn der Thyristor T ausgeschaltet und der Kondensator CB aufgeladen ist, der Widerstand RВ, der den Entladestrom des Kondensators CB begrenzt, wenn der Thyristor T eingeschaltet ist

Steuersystem

Das Steuersystem (SU) enthält die folgenden Funktionsblöcke: eine Schaltung mit einer Schaltung zum Erzeugen eines Auslöseimpulses und einer Signalquelle, um den Thyristor im offenen Zustand zu halten; Kontur der Bildung des Sperrsignals; Schaltung, um den Thyristor im geschlossenen Zustand zu halten.

Nicht alle Arten von Steuerungssystemen erfordern alle aufgelisteten Blöcke, aber die Konturen der Bildung von Entriegelungs- und Verriegelungsimpulsen müssen jedes Steuerungssystem enthalten. In diesem Fall muss die galvanische Trennung von Steuerstromkreis und Leistungsstromkreis des abgeschalteten Thyristors sichergestellt werden.

Um den Betrieb des ausgeschalteten Thyristors zu steuern, werden zwei Haupt-SUs verwendet, die sich in den Methoden zum Anlegen eines Signals an die Steuerelektrode unterscheiden. In dem in Abb. In Fig. 4 werden die vom Logikblock St erzeugten Signale galvanisch getrennt (Potentialtrennung), wonach sie über die Tasten SE und SA der Steuerelektrode des Thyristors T zugeführt werden, im zweiten Fall wirken die Signale zunächst auf die Tasten SE (Ein) und SA (Ausschalten) ), die auf 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 SE und SA gibt es Steuerschemata mit niedrigem Potential (NPSU) und hohem Potential (VPSU, Fig. 4).

Steuerkreisoption

Abb. 4. Optionssteuerschaltung

Das Steuersystem der NPSU ist strukturell einfacher als das der VPSU, aber seine Fähigkeiten sind begrenzt hinsichtlich der Erzeugung von Steuersignalen von langer Dauer, die im Durchflußmodus durch den Durchlaßstromthyristor arbeiten, sowie hinsichtlich der Gewährleistung der Steilheit der Steuerimpulse. Für die Bildung von Signalen von langer Dauer ist es hier erforderlich, 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 bei der NPSU sein Wert durch eine Potentialtrenneinrichtung (beispielsweise einen Impulstransformator) begrenzt wird.

Das Informationssignal - der Befehl zum Ein- oder Ausschalten - wird normalerweise über einen optoelektronischen Wandler an die Schaltung geliefert.

Thyristoren GCT

Mitte der 90er Jahre entwickelten die Firmen ABB und Mitsubishi einen neuen Typ von Thyristoren, den Gate Commutated Thyristor (GCT). Tatsächlich ist der GCT eine weitere Verbesserung des GTO oder seiner Modernisierung. Das grundlegend neue Design der Steuerelektrode sowie die deutlich unterschiedlichen Vorgänge beim Ausschalten des Geräts machen es jedoch sinnvoll, darüber nachzudenken.

GCT wurde als Gerät entwickelt, das die für GTO typischen Mängel nicht aufweist. Sie müssen sich also zunächst mit den Problemen befassen, die bei der Arbeit mit GTO auftreten.

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

Der Kondensator CB ist so ausgelegt, dass er die Anstiegsrate der Durchlassspannung du / dt begrenzt, wenn das Gerät ausgeschaltet wird. Indem der Thyristor unempfindlich gegenüber dem du / dt-Effekt gemacht wurde, war es möglich, den Dämpfungsschaltkreis (den Schaltpfadbildungsschaltkreis) aufzugeben, der beim Entwurf des GCT realisiert wurde.

Verwaltungsfunktion und -design

Das Hauptmerkmal der Thyristoren GCT im Vergleich zu den GTO-Geräten ist die schnelle Abschaltung, die sowohl durch eine Änderung des Steuerprinzips als auch durch ein verbessertes Design des Geräts erreicht wird. Eine schnelle Abschaltung wird erreicht, indem die Thyristorstruktur im gesperrten Zustand des Geräts in einen Transistor umgewandelt wird, wodurch das Gerät unempfindlich gegen den du / dt-Effekt wird.

Der GCT in den Zuständen Einschalten, Leiten und Sperren wird auf dieselbe Weise gesteuert wie der GTO. Wenn Sie die Steuerung ausschalten, hat GCT zwei Funktionen:

  • der Steuerstrom Ig ist gleich oder größer als der Anodenstrom Ia (für Thyristoren ist GTO Ig um das 3-5-fache geringer);
  • Die Steuerelektrode hat eine niedrige Induktivität, die es ermöglicht, eine Steuerstromrate von dig / dt von 3000 A / μs oder mehr zu erreichen (für GTO-Thyristoren beträgt der Wert von dig / dt 30-40 A / μs).

Die Verteilung der Ströme in der Struktur des Thyristors GCT im ausgeschalteten Zustand

Abb. 5. Die Verteilung der Ströme in der Struktur des Thyristors GCT beim Ausschalten

In Abb. 5 zeigt die Verteilung der Ströme in der Struktur des Thyristors GCT, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet ist. Wie erwähnt ist der Einschaltvorgang ähnlich dem Einschließen von Thyristoren GTO. Das Herunterfahren ist anders. Nach dem Zuführen eines negativen Steuerimpulses (-Ig), dessen Größe dem anodischen Strom (Ia) entspricht, fließt der gesamte durch die Vorrichtung fließende Gleichstrom in das Steuersystem und erreicht die Kathode unter Umgehung des j3-Übergangs (zwischen den Bereichen p und n). Der j3-Übergang wird in die entgegengesetzte Richtung verschoben und der Kathodentransistor npn wird geschlossen. Das weitere Ausschalten der GCT ähnelt dem Ausschalten eines Bipolartransistors, der keine externe Begrenzung der Durchlassspannungsanstiegsrate du / dt erfordert und daher das Fehlen einer Dämpfungsschaltung ermöglicht.

Die Änderung im Design des GCT ist darauf zurückzuführen, dass die dynamischen Prozesse, die im ausgeschalteten Zustand des Geräts auftreten, ein bis zwei Größenordnungen schneller ablaufen als im GTO. Wenn also die minimale Ausschaltzeit und der minimale Blockierungszustand für einen GTO 100 us beträgt, überschreitet dieser Wert für GCT 10 us nicht. Die Anstiegsrate des Steuerstroms beim Ausschalten des GCT beträgt 3000 A / µs, der GTO überschreitet 40 A / µs nicht.

Um eine hohe Dynamik der Schaltvorgänge zu gewährleisten, wurden das Design des Ausgangs der Steuerelektrode und die Verbindung des Geräts mit dem Impulsformer des Steuerungssystems geändert. Der Ausgang ist ringförmig und umgibt das Gerät über den Umfang. Der Ring geht durch das Keramikgehäuse des Thyristors und kontaktiert: innen die Zellen der Steuerelektrode; außen - mit der Platte, die die Steuerelektrode mit dem Impulsformer verbindet.

Jetzt werden GTO-Thyristoren von mehreren großen Firmen in Japan und Europa hergestellt: Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, ABB, Eupec. Geräteparameter für die Spannung UDRM: 2500 V, 4500 V, 6000 V; Einschaltstrom ITGQM (maximal wiederholbarer sperrbarer Strom): 1000 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A, 6000 A.

Thyristoren GCT der Firma "Mitsubishi" und "ABB". Die Geräte sind für UDRM-Spannungen bis 4500 V und ITGQM-Ströme bis 4000 A ausgelegt.

Derzeit werden die GCT- und GTO-Thyristoren bei der russischen Firma Electrovypryamitel (Saransk) gemastert und Thyristoren der Serien TZ-243, TZ-253, TZ-273, ZTA-173, ZTA-193, ZTF-193 (ähnlich wie bei GCT) hergestellt ) und andere mit einem Siliziumwafer-Durchmesser von bis zu 125 mm und einem Spannungsbereich von UDRM 1200-6000 V und Strom ITGQM 630-4000 A.

Parallel zu sperrbaren Thyristoren und zur Verwendung in Kombination mit diesen hat Electrovypryamitel OJSC produktionsschnelle Dioden für Dämpfungs- (Snubber-) Schaltungen und Rückstromdioden sowie einen leistungsstarken Impulstransistor für Endstufen eines Steuertreibers (Steuerungssystem) entwickelt und beherrscht.

Thyristoren IGCT

Dank des Konzepts der harten Kontrolle (Feinregulierung von Legierungsprofilen, Mesatechnik, Protonen- und Elektronenbestrahlung zur Erzeugung einer speziellen Verteilung kontrollierter Rekombinationszentren, der Technologie sogenannter transparenter oder dünner Emitter, der Verwendung einer Pufferschicht im n-Basisbereich usw.) wenn Sie ausschalten. Die nächste große Errungenschaft in der Technologie des eng gesteuerten GTO (HD GTO) in Bezug auf Instrument, Steuerung und Anwendung war die Idee der gesteuerten Geräte auf der Basis eines neuen "abschließbaren Thyristors mit integrierter Steuereinheit (Treiber)" (engl. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)). . Dank der Hard-Control-Technologie erhöht ein gleichmäßiges Schalten den sicheren Betrieb des IGCT auf die durch den Lawinenzusammenbruch begrenzten Grenzen, d.h. bis zu den physikalischen Fähigkeiten von Silizium. Es sind keine Schutzschaltungen erforderlich, die du / dt überschreiten. Die Kombination mit einer verbesserten Verlustleistung ermöglichte es uns, neue Anwendungen im Kilohertzbereich zu finden. Die zur Steuerung erforderliche Leistung ist im Vergleich zum Standard-GTO um das Fünffache reduziert, hauptsächlich aufgrund der transparenten Gestaltung der Anode. Die neue IGCT-Gerätefamilie mit monolithisch integrierten Hochleistungsdioden wurde für den Einsatz im Bereich von 0,5 - 6 MV * A entwickelt. Mit den vorhandenen technischen Möglichkeiten der seriellen und parallelen Verbindung können IGCT-Geräte den Leistungspegel auf mehrere hundert Megavoltampere erhöhen.

Mit einer integrierten Steuereinheit nimmt der Kathodenstrom ab, bevor die Anodenspannung zu steigen beginnt. Dies wird aufgrund der sehr geringen Induktivität der Steuerelektrodenschaltung erreicht, die durch die koaxiale Verbindung der Steuerelektrode in Kombination mit einer Mehrschichtplatine der Steuereinheit realisiert wird. Dadurch konnte ein Abschaltstrom von 4 kA / µs erreicht werden. Wenn die Steuerspannung UGK = 20 V ist und der Kathodenstrom Null wird, geht der verbleibende Anodenstrom in die Steuereinheit, die zu diesem Zeitpunkt einen niedrigen Widerstand aufweist. Dadurch wird der Energieverbrauch der Steuereinheit minimiert.

Bei einer "harten" Steuerung schaltet der Thyristor in den pnp-Modus, wenn der Zustand für 1 µs vom pnpn-Zustand gesperrt ist. Das Ausschalten erfolgt vollständig im Transistormodus, wodurch die Möglichkeit eines Triggereffekts ausgeschlossen wird.

Das Reduzieren der Dicke der Vorrichtung wird durch Verwenden einer Pufferschicht auf der Seite der Anode erreicht. Die Pufferschicht von Leistungshalbleitern verbessert die Eigenschaften traditioneller Elemente, indem sie ihre Dicke bei gleicher Gleichspannung um 30% reduziert. Der Hauptvorteil dünner Elemente ist die Verbesserung der technologischen Eigenschaften bei geringen statischen und dynamischen Verlusten. Eine solche Pufferschicht in einem Vierschichtinstrument erfordert die Beseitigung von Anodenkurzschlüssen, gleichzeitig bleibt jedoch die effektive Freisetzung von Elektronen während des Abschaltens erhalten. Das neue IGCT-Gerät kombiniert eine Pufferschicht mit einem transparenten Anodenemitter. Die transparente Anode ist ein pn-Übergang mit stromgeregeltem Emitterwirkungsgrad.

Für maximale Störfestigkeit und Kompaktheit umgibt die Steuereinheit das IGCT und bildet mit einer Kältemaschine ein einziges Design. Sie 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 der Wärmeableitung, der elektrischen und thermischen Überlastung werden reduziert. Daher werden auch die Kosten der Steuereinheit und die Ausfallrate signifikant reduziert. Das IGCT mit seiner integrierten Steuereinheit ist einfach im Modul zu befestigen und über Lichtwellenleiter präzise mit der Stromversorgung und der Steuersignalquelle zu verbinden. Durch einfaches Öffnen der Feder wird dank eines gut entwickelten Druckkontaktsystems eine richtig berechnete Druckkraft auf das IGCT ausgeübt, wodurch ein elektrischer und thermischer Kontakt hergestellt wird. Somit wird maximale Montagefreundlichkeit und maximale Zuverlässigkeit erreicht. Wenn IGCT ohne Dämpfer betrieben wird, sollte die Sperrdiode auch ohne Dämpfer funktionieren. Diese Anforderungen erfüllt eine Hochleistungsdiode in einem Druckgehäuse mit verbesserten Eigenschaften, 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 Fig. 6).

Vereinfachte dreiphasige Wechselrichterschaltung am IGCT

Abb. 6. Vereinfachter Dreiphasen-Wechselrichter am IGCT

Der Haupthersteller IGCT Firma "ABB". Die Parameter der Thyristoren für die Spannung U DRM : 4500 V, 6000 V; bei aktuellem 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 (IGBT). Die Hauptvorteile von IGBT sind hohe Werte der Betriebsfrequenz, Effizienz, Einfachheit und Kompaktheit von Steuerschaltungen (aufgrund der Kleinheit des Steuerstroms).

Das Entstehen von IGBT mit einer Betriebsspannung von bis zu 4500 V und die Fähigkeit, Ströme bis zu 1800 A zu schalten, führte in den letzten Jahren zur Verschiebung von sperrbaren Thyristoren (GTO) in Geräten bis zu 1 MW und einer Spannung von bis zu 3,5 kV.

Die neuen IGCT-Geräte, die mit Schaltfrequenzen von 500 Hz bis 2 kHz arbeiten können und höhere Parameter als IGBT-Transistoren haben, kombinieren jedoch die optimale Kombination aus bewährter Thyristortechnologie mit ihren inhärent geringen Verlusten und nicht unterstützter, hocheffizienter Abschalttechnologie durch Beeinflussung Steuerelektrode. Das IGCT-Gerät ist heute die ideale Lösung für Anwendungen im Bereich der Mittel- und Hochspannungsleistungselektronik.

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

Tabelle 1. Eigenschaften moderner leistungsstarker Leistungsschalter mit doppelseitigem Kühlkörper

Gerätetyp Vorteile Nachteile Anwendungsgebiete
Traditioneller Thyristor (SCR) Der niedrigste Verlust im Ein-Zustand. Die höchste Überlastfähigkeit. Hohe Zuverlässigkeit Einfach parallel und in Reihe zu schalten. Keine Zwangsverriegelung der Steuerelektrode möglich. Niedrige Betriebsfrequenz. Gleichstromantrieb; leistungsstarke Netzteile; Schweißen; Schmelzen und Erhitzen; statische Kompensatoren; AC-Tasten
GTO Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Relativ hohe Überlastfähigkeit. Die Möglichkeit der seriellen Verbindung. Betriebsfrequenzen bis 250 Hz bei Spannungen bis 4 kV. Hohe Verluste im eingeschalteten Zustand. Sehr große Verluste in der Steuerung. Anspruchsvolle Steuerungs- und Stromversorgungssysteme für Potenziale. Große Schaltverluste. Elektrischer Antrieb; statische Kompensatoren, Blindleistung; unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; Induktionserwärmung
IGCT Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Die Überlastfähigkeit entspricht der des GTO. Geringe Verluste im eingeschalteten Zustand. Betriebsfrequenz - bis zu Einheiten, kHz. Eingebaute Steuereinheit (Fahrer). Die Möglichkeit der seriellen Verbindung. Nicht identifiziert aufgrund mangelnder Betriebserfahrung. Leistungsstarke Stromquellen (Wechselrichter- und Gleichrichter-Umspannwerke von Gleichstromübertragungsleitungen); Elektroantrieb (Spannungsumrichter für Frequenzumrichter und Elektroantriebe für verschiedene Zwecke)
IGBT Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Höchste Betriebsfrequenz (bis 10 kHz). Einfaches Non-Power-Management-System. Eingebauter Treiber. Sehr hohe Verluste im Ein-Zustand. Elektrischer Antrieb (Häcksler); unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; statische Kompensatoren und aktive Filter; Hauptstromquellen