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Moderne sperrbare Thyristoren

Einleitung

Die Schaffung von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik begann 1953, als es möglich wurde, Silicium von hoher Reinheit und die Bildung von Siliciumscheiben mit großen Abmessungen zu erhalten. Im Jahr 1955 wurde zunächst eine halbleitergesteuerte Vorrichtung mit einer vierschichtigen Struktur entwickelt, die als "Thyristor" bekannt ist.

Es wurde durch Anlegen eines Impulses an die Steuerelektrode bei einer positiven Spannung zwischen der Anode und der Kathode eingeschaltet. Die Abschaltung des Thyristors erfolgt durch die Reduzierung des durch ihn fließenden Gleichstromes auf Null, für den eine Anzahl von Schaltungen von induktiven kapazitiven Schaltkreisen entwickelt wurde. Sie erhöhen nicht nur den Wert des Transformators, sondern verschlechtern auch seine massendimensionalen Indikatoren, verringern die Zuverlässigkeit.

Daher wurde gleichzeitig mit der Erzeugung des Thyristors begonnen, die Abschaltung der Steuerelektrode sicherzustellen. Das Hauptproblem bestand in der Bereitstellung einer schnellen Resorption von Ladungsträgern in den Basisregionen.

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

Mitte der 90er Jahre wurde ein abschließbarer Thyristor mit einer Ringleitung der Steuerelektrode entwickelt. Es erhielt den Namen Gate Commutated Thyristor (GCT) und wurde zur Weiterentwicklung der GTO-Technologie.

Thyristoren GTO

Gerät

Abschließbarer Thyristor ist ein vollständig steuerbares Halbleiterbauelement, basierend auf einer klassischen Vierschichtstruktur. Schalten Sie das Gerät ein und aus, indem Sie der Steuerelektrode positive und negative Stromimpulse zuführen. In Abb. 1 zeigt das Symbol (a) und das Blockschaltbild (b) des abgeschalteten Thyristors. Wie ein herkömmlicher Thyristor weist er eine Kathode K, eine Anode A, eine Steuerelektrode G auf. Unterschiede in den Instrumentenstrukturen bestehen in einer unterschiedlichen Anordnung von horizontalen und vertikalen Schichten mit n- und p-Leitfähigkeiten.

Abb. 1. Gesperrter Thyristor:
a-konventionelle Bezeichnung;
b-Strukturdiagramm

Die größte Änderung war in der Anordnung der Kathodenschicht n. Es ist in mehrere hundert Elementarzellen aufgeteilt, die gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Diese Leistung wird durch den Wunsch verursacht, eine gleichmßige Stromreduzierung über die gesamte Fläche der Halbleiterstruktur sicherzustellen, wenn das Gerät ausgeschaltet wird.

Die Basisschicht p weist, obwohl sie als Ganzes hergestellt ist, eine große Anzahl von Kontakten der Steuerelektrode (ungefähr gleich der Anzahl der Kathodenzellen) auf, die gleichmßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Die Basisschicht n ist der entsprechenden Schicht eines herkömmlichen Thyristors ähnlich.

Die Anodenschicht p hat Shunts (Zonen n), die die n-Basis über kleine verteilte Widerstände mit dem anodischen Kontakt verbinden. Anoden-Shunts werden in Thyristoren verwendet, die keine Fähigkeit zur inversen Blockierung haben. Sie sind entworfen, um die Abschaltzeit der Vorrichtung zu reduzieren, indem die Bedingungen für die Extraktion von Ladungen von der Basisregion n verbessert werden.

Die Hauptversion des GTO-Thyristors ist eine Tablette mit einem vierschichtigen Siliziumwafer, der durch die wärmekompensierenden Molybdänscheiben zwischen zwei Kupferbasen geklemmt ist, die eine erhöhte thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Mit der Siliziumplatte ist eine Steuerelektrode kontaktiert, die einen Anschluß im Keramikkörper aufweist. Die Vorrichtung wird durch Kontaktflächen zwischen zwei Hälften von Kühlern geklemmt, die voneinander isoliert sind und eine Konstruktion aufweisen, die durch die Art des Kühlsystems bestimmt ist.

Funktionsprinzip

Im Betriebszyklus des Thyristors GTO werden vier Phasen unterschieden: Einschluss, leitender Zustand, Abschalt- und Sperrzustand.

Im schematischen Abschnitt der Thyristorstruktur (Fig. 1, b) ist der untere Anschluß der Struktur anodisch. Die Anode kontaktiert die Schicht p. Anschließend folgt auf die untere Schicht: eine Basisschicht n, eine Basisschicht p (mit einem Steuerelektrodenanschluss), eine Schicht n, die direkt in Kontakt mit dem Kathodenanschluss ist. 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 von dem Sperrzustand in den leitenden Zustand (Einschluss) ist nur möglich, wenn eine Durchlassspannung zwischen der Anode und der Kathode angelegt wird. Die 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 wird. In der Nähe der j2-Verzweigung wird eine durch Ladungsträger verarmte Zone gebildet, die als Bereich der Volumenladung bezeichnet wird. Um den Thyristor GTO einzuschalten, wird eine Spannung positiver Polarität U G (Pin "+" an die Schicht p) an die Steuerelektrode und Kathode entlang der Steuerschaltung angelegt. Infolgedessen fließt der Strom von IG entlang der Schaltung.

Abschließbare Thyristoren stellen strenge Anforderungen an die Steilheit des vorderen dIG / dt und die Amplitude des IGM-Steuerstroms. Durch den j3-Übergang beginnt zusätzlich zu dem Leckstrom der Schaltstrom I G zu fließen. Die Elektronen, die diesen Strom erzeugen, werden von der Schicht n zur Schicht p injiziert. Als nächstes werden einige von ihnen durch das elektrische Feld des Übergangs der Basis j2 zu der Schicht n übertragen.

Gleichzeitig wird die Gegeneinspritzung von Löchern von der Schicht p in die Schicht n und weiter in die Schicht p gleichzeitig zunehmen. Es wird einen Anstieg des von den Minoritätsladungsträgern geschaffenen Stroms geben.

Der Gesamtstrom, der durch den Übergang der Basis j2 fließt, überschreitet den Einschalt-Strom, der Thyristor wird geöffnet, wonach die Ladungsträger frei durch alle vier seiner Bereiche verlaufen.

Phase 2 ist ein leitender Zustand. In dem fließenden Modus des Gleichstroms ist kein Steuerstrom I erforderlich, wenn der Strom in dem Anodenkreis den Wert des Begrenzungsstroms übersteigt. Um jedoch sicherzustellen, dass alle Strukturen des abgeschalteten Thyristors ständig in einem leitenden Zustand sind, ist es in der Praxis immer noch notwendig, den für das gegebene Temperaturregime vorgesehenen Strom aufrechtzuerhalten. Somit erzeugt das Steuersystem während der gesamten Zeit des Einschaltens und des leitenden Zustands einen Stromimpuls mit positiver Polarität.

Im leitenden Zustand gewährleisten alle Bereiche der Halbleiterstruktur eine gleichmäßige Bewegung von Ladungsträgern (Elektronen von der Kathode zur Anode, Löcher in der entgegengesetzten Richtung). Durch die j1, j2 Übergänge fließt der Anodenstrom, und j3 ist der Gesamtstrom der Anode und der Steuerelektrode.

Phase 3 - Herunterfahren. Um den Thyristor GTO mit der Spannung U T unverändert zu schalten (siehe Fig. 3), wird eine Spannung negativer Polarität UGR an die Steuerelektrode und Kathode entlang der Steuerschaltung angelegt. Sie bewirkt einen Abschaltstrom, dessen Strömung 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 Schicht p eintreten und Elektronen, die entlang der Steuerelektrode in die gleiche Schicht eintreten.

Wenn der Basisübergang j2 von ihnen freigegeben wird, beginnt der Thyristor zu sperren. Dieser Vorgang ist durch eine starke Abnahme des Vorwärtsstroms I th des Thyristors in einem kurzen Zeitintervall auf einen kleinen Wert I TQT gekennzeichnet (siehe Fig. 2). Unmittelbar nach dem Sperren der Basis j2 j3 beginnt sich der j3-Übergang zu schließen, aber für eine gewisse Zeit ist er aufgrund der in der Induktivität der Steuerschaltungen gespeicherten Energie in einem leicht geöffneten Zustand.

Die Graphen der Stromänderung der Anode (iT) und der Kontrollelektrode (iG)

Abb. 2. Graphen der aktuellen Änderung der Anode (iT) und der Kontrollelektrode (iG)

Nachdem die gesamte in der Induktivität der Steuerschaltung gespeicherte Energie verbraucht ist, ist der j3-Übergang von der Seite der Kathode vollständig gesperrt. Von nun an ist der Strom durch den Thyristor gleich dem Leckstrom, der von der Anode zur Kathode durch die Steuerelektrodenschaltung fließt.

Der Rekombinationsvorgang und damit die Abschaltung des sperrbaren Thyristors hängt stark von der Steilheit des vorderen dIGQ / dt und der Amplitude I GQ des umgekehrten Steuerstroms ab. Um die notwendige Steilheit und Amplitude dieses Stromes sicherzustellen, muss an der Steuerelektrode eine Spannung UG angelegt werden, die den für j3 zulässigen Wert nicht überschreiten darf.

Phase 4 - Sperrzustand Im Sperrzustand bleibt die Spannung negativer Polarität U GR von der Steuereinheit an Steuerelektrode und Kathode angeschlossen. Der Steuerstrom fließt durch den Gesamtstrom I GR , der aus dem Leckstrom des Thyristors und dem durch j3 fließenden Steuerstrom besteht. Der Übergang j3 bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung. Somit sind in dem Thyristor-GTO in dem Vorwärtsblockierzustand zwei Übergänge (j2 und j3) in der entgegengesetzten Richtung vorgespannt, und zwei Raumladungsbereiche sind gebildet.

Das Steuersystem erzeugt während des Ausschalt- und Sperrzustands einen Impuls negativer Polarität.

Schutzketten

Die Verwendung von Thyristoren GTO erfordert die Verwendung spezieller Schutzschaltungen. Sie erhöhen die Masse-Abmessungen, die Kosten des Konverters erfordern manchmal zusätzliche Kühlvorrichtungen, sind aber für die normale Funktion der Geräte notwendig.

Der Zweck jeder Schutzschaltung besteht darin, die Anstiegsrate eines der zwei Parameter der elektrischen Energie beim Schalten einer Halbleitervorrichtung zu begrenzen. In diesem Fall sind die Kondensatoren der Schutzschaltung CB (Figur 3) parallel zu der geschützten Vorrichtung T geschaltet. Sie begrenzen die Anstiegsgeschwindigkeit der Gleichspannung dUT / dt, wenn der Thyristor ausgeschaltet ist.

LE-Drosseln sind in Reihe mit dem Gerät T installiert. Sie begrenzen die Anstiegsgeschwindigkeit des Vorwärtsstroms dIT / dt beim Einschalten des Thyristors. Die Werte von dUT / dt und dIТ / dt für jedes Gerät sind normalisiert, sie sind in den Handbüchern und den Passdaten für die Instrumente angegeben.

Schema der Schutzschaltung

Abb. 3. Schema der Schutzschaltung

Zusätzlich zu Kondensatoren und Drosseln werden zusätzliche Schaltungen in Schutzschaltungen verwendet, um die Entladung und Ladung von reaktiven Elementen sicherzustellen. Diese umfassen: die Diode DB, die den Widerstand RB schaltet, wenn der Thyristor T ausgeschaltet ist, und die Ladung des Kondensators CB, den Widerstand RB, der den Entladestrom des Kondensators CB begrenzt, wenn der Thyristor T eingeschaltet wird.

Steuersystem

Das Steuersystem (CU) umfasst die folgenden Funktionsblöcke: eine Kontur, die aus einer Schaltung zum Erzeugen eines Torimpulses und einer Signalquelle zum Halten des Thyristors in einem offenen Zustand besteht; Kontur zum Bilden eines Verriegelungssignals; die Thyristorhalteschaltung im geschlossenen Zustand.

Nicht alle Arten von CS benötigen alle aufgelisteten Blöcke, aber die Konturen der Bildung der Entriegelungs- und Verriegelungsimpulse müssen jede SS enthalten. In diesem Fall ist eine galvanische Trennung von Steuerkreis und Leistungsschaltung des abgeschalteten Thyristors sicherzustellen.

Um den Betrieb des abgeschalteten Thyristors zu steuern, werden zwei Hauptsteuersysteme verwendet, die sich in der Art und Weise unterscheiden, wie sie die Steuerelektrode signalisieren. In dem in Abb. In Fig. 4 werden die von der Logikeinheit St erzeugten Signale galvanisch getrennt (Potentialtrennung) und dann über die Schalter SE und SA der Steuerelektrode des abgeschalteten Thyristors T zugeführt. Im zweiten Fall wirken die Signale zunächst auf die Schalter SE (ein) und SA (aus) ), die auf dem gleichen Potential wie die SS liegen, werden dann über die galvanischen Entkopplungseinrichtungen UE und UA der Steuerelektrode zugeführt.

In Abhängigkeit von der Position der Schlüssel SE und SA werden Steuerschemata mit niedrigem Potential (NPSU) und hohem Potential (SSP, Fig. 4) unterschieden.

Steuerkreis Option

Abb. 4. Steuerkreisvariante

Das Steuersystem der NPSU ist strukturell einfacher als die SPSU, aber seine Fähigkeiten sind begrenzt in Bezug auf die Erzeugung von Steuersignalen mit langer Dauer, die in dem durch den Gleichstromthyristor fließenden Regime arbeiten, und auch in der Gewährleistung der Steilheit der Steuerimpulse. Um lang andauernde Signale zu erzeugen, müssen Sie teurere Push-Pull-Schaltungen verwenden.

In der VPSU werden die hohe Steilheit und die erhöhte Dauer des Steuersignals einfacher erreicht. Zusätzlich wird hier das Steuersignal vollständig verwendet, während in der NPSU sein Wert durch die Potentialteilungseinrichtung begrenzt ist (beispielsweise durch einen Impulstransformator).

Informationssignal - ein Befehl zum Einschalten oder Ausschalten - wird normalerweise über einen optoelektronischen Wandler der Schaltung zugeführt.

GCT Thyristoren

Mitte der 1990er Jahre entwickelten ABB und Mitsubishi einen neuen Typ von Gate-Thyristor-Thyristoren. Tatsächlich ist GCT eine weitere Verbesserung der GTO oder ihrer Modernisierung. Die grundsätzliche Neukonzeption der Steuerelektrode sowie die beim Ausschalten des Gerätes deutlich unterschiedlichen Prozesse machen jedoch eine Betrachtung sinnvoll.

Das GCT wurde als ein Instrument entwickelt, das keine GTO-spezifischen Nachteile aufweist. Daher müssen wir zuerst die Probleme angehen, die mit dem GTO auftreten.

Der Hauptnachteil von GTO sind die großen Energieverluste in den Schutzschaltungen des Gerätes beim Schalten. Eine Erhöhung der Frequenz erhöht die Verluste, weshalb in der Praxis die Thyristoren GTO mit einer Frequenz von nicht mehr als 250-300 Hz geschaltet werden. Die Hauptverluste treten in dem Widerstand RB (siehe Fig. 3) auf, wenn der Thyristor T ausgeschaltet wird und folglich die Entladung des Kondensators CB.

Der Kondensator CB ist so ausgelegt, dass er die Anstiegsgeschwindigkeit der Gleichspannung du / dt bei ausgeschaltetem Gerät begrenzt. Dadurch, dass der Thyristor nicht empfindlich gegenüber dem du / dt-Effekt gemacht wurde, war es möglich, die Snubber-Schaltung (die Pfadbildungsschaltung) aufzugeben, die in dem GCT-Design implementiert wurde.

Merkmal der Kontrolle und des Designs

Das Hauptmerkmal von GCT-Thyristoren ist im Vergleich zu GTO-Geräten eine schnelle Abschaltung, die sowohl durch Änderung des Steuerprinzips als auch durch Verbesserung des Gerätedesigns erreicht wird. Ein schnelles Ausschalten wird erreicht, indem die Thyristorstruktur in eine Transistorstruktur umgewandelt wird, wenn das Gerät gesperrt ist, was das Gerät unempfindlich gegenüber dem du / dt-Effekt macht.

GCT in den Phasen des Einschaltens, Leitens und Blockierens wird ebenso wie GTO gesteuert. Wenn Sie die Steuerung ausschalten, hat GCT zwei Funktionen:

  • der Steuerstrom Ig ist gleich oder überschreitet den Anodenstrom Ia (für Thyristoren GTO Ig weniger als 3 bis 5 mal);
  • Die Steuerelektrode hat eine niedrige Induktivität, wodurch es möglich ist, eine Erhöhungsrate des dig / dt-Steuerstroms von 3000 A / & mgr; s oder mehr zu erreichen (für Digitalisierer GTO beträgt der dig / dt-Wert 30-40 A / & mgr; s).

Verteilung der Ströme in der Struktur des Thyristors GCT bei Abschaltung

Abb. 5. Verteilung der Ströme in der Struktur des Thyristors GCT bei Abschaltung

In Abb. 5 zeigt die Verteilung von Strömen in der Struktur des Thyristors GCT, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Wie gezeigt, ist der Betätigungsvorgang ähnlich dem Einbau von GTO-Thyristoren. Der Shutdown-Prozess ist anders. Nachdem der negative Steuerimpuls (-Ig) der gleichen Größe des Anodenstroms (Ia) angelegt ist, wird der gesamte durch die Vorrichtung fließende Strom in das Steuersystem abgeleitet und erreicht die Kathode unter Umgehung des Übergangs j3 (zwischen den Bereichen p und n). Der j3-Übergang ist in die entgegengesetzte Richtung verschoben, und der Kathodentransistor npn ist geschlossen. Das weitere Ausschalten des GCT ist analog zum Ausschalten eines beliebigen Bipolartransistors, der keine externe Begrenzung der Anstiegsrate der Vorwärtsspannung du / dt erfordert und daher das Fehlen einer Überspannungsschutzkette ermöglicht.

Die Änderung in der Konstruktion von GCT ist darauf zurückzuführen, dass die dynamischen Prozesse, die in dem Gerät bei der Abschaltung auftreten, um ein bis zwei Größenordnungen schneller ablaufen als in dem GTO. Wenn also die minimale Abschaltzeit und der Sperrzustand für den GTO 100 μs beträgt, überschreitet dieser Wert für GCT nicht 10 μs. 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, wurde die Auslegung des Ausgangs der Steuerelektrode und die Verbindung des Gerätes mit dem Impulstreiber des Steuerungssystems geändert. Der Ausgang wird kreisförmig gemacht und umkreist das Gerät um den Umfang. Der Ring durchdringt den keramischen Körper des Thyristors und kontaktiert: innen mit den Zellen der Steuerelektrode; außen - mit einer Platte, die die Steuerelektrode mit dem Impulsformer verbindet.

Jetzt werden die GTO-Thyristoren von mehreren großen Firmen in Japan und Europa produziert: Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, ABB, Eupec. Parameter der Geräte für Spannung UDRM: 2500 V, 4500 V, 6000 V; Der aktuelle ITGQM (maximaler sich wiederholender sperrbarer 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 Spannungen UDRM bis 4500 V und Strom ITGQM bis 4000 A ausgelegt.

Gegenwärtig werden die Thyristoren GCT und GTO beim russischen Unternehmen JSC Electrovypryamitel (Saransk) beherrscht Thyristoren der Serien TZ-243, TZ-253, TZ-273, ZTA-173, ZTA-193, ZTF-193 (ähnlich GCT ) und andere mit einem Siliziumwaferdurchmesser von bis zu 125 mm und einem Spannungsbereich von UDRM 1200 bis 6000 V und Strömen ITGQM 630 bis 4000 A.

Parallel zu den absperrbaren Thyristoren entwickelte und fertigte JSC "Electrovypryamitel" serienmäßig schnelleinstellende Dioden für Dämpfungsschaltungen (Snubber) und Rückstromdioden sowie einen leistungsfähigen Impulstransistor für die Endstufen des Steuertreibers (Leitsystem).

Thyristoren IGCT

Dank des Konzepts der starren Kontrolle (dünne Regulierung von Legierungsprofilen, Mezatechnologie, Protonen- und Elektronenbestrahlung zur Schaffung einer speziellen Verteilung kontrollierter Rekombinationszentren, der Technologie von sogenannten transparenten oder dünnen Emittern, der Verwendung einer Pufferschicht im n-Basisbereich usw.) beim Ausschalten. Die nächste große Errungenschaft in der Technologie von starr gesteuerten GTO (HD GTO) in Bezug auf Instrumentierung, Steuerung und Anwendung war die Idee von gesteuerten Geräten basierend auf einem neuen "gesperrten Thyristor mit einer integrierten Steuereinheit (Treiber)" (engl. Integrated Gate-Commuted Thyristor (IGCT)) . Dank der harten Regeltechnik erhöht die gleichmäßige Schaltung den sicheren Arbeitsbereich des IGCT auf die durch Lawinenpanne begrenzten Grenzen, sprich zu den physikalischen Fähigkeiten von Silizium. Es sind keine Schutzschaltungen erforderlich, um du / dt zu überschreiten. Die Kombination mit verbesserten Leistungsverlusten ermöglichte es uns, neue Anwendungen im kHz-Bereich zu finden. Die für die Steuerung benötigte Leistung ist im Vergleich zum Standard-GTO um den Faktor 5 reduziert, hauptsächlich aufgrund des transparenten Anodendesigns. Die neue IGCT-Familie monolithisch integrierter Hochleistungsdioden wurde für den Einsatz im Bereich von 0,5 - 6 MVA entwickelt. Mit der vorhandenen technischen Fähigkeit der seriellen und parallelen Verbindung ermöglichen IGCT-Geräte die Erhöhung der Leistung auf mehrere hundert Megavolt - Ampere.

Mit der integrierten Steuereinheit wird der Kathodenstrom reduziert, bevor die Anodenspannung anzusteigen beginnt. Dies wird aufgrund der sehr geringen Induktivität der Steuerelektrodenschaltung erreicht, die aufgrund der koaxialen Verbindung der Steuerelektrode in Verbindung mit der Multilayer-Platine der Steuereinheit realisiert wird. Als Ergebnis wurde es möglich, den Wert der abgeschalteten Stromrate von 4 kA / μs zu erreichen. Bei einer Steuerspannung UGK = 20 V. Wenn der Kathodenstrom Null wird, gelangt der verbleibende Anodenstrom zur Steuereinheit, die zu diesem Zeitpunkt einen geringen Widerstand aufweist. Dadurch wird der Energieverbrauch der Steuereinheit minimiert.

Bei der "harten" Steuerung schaltet der Thyristor, wenn er vom pnpn-Zustand zum pnp-Modus für 1 us gesperrt ist. Die Abschaltung erfolgt vollständig im Transistormodus, wodurch eine Auslösung des Triggereffekts ausgeschlossen ist.

Die Verringerung der Dicke der Vorrichtung wird durch Verwendung einer Pufferschicht auf der Anodenseite erreicht. Die Pufferschicht von Leistungshalbleitern verbessert die Eigenschaften traditioneller Elemente, indem sie ihre Dicke um 30% bei gleicher Durchbruchsspannung reduziert. Der Hauptvorteil von dünnen Elementen ist die Verbesserung der technologischen Eigenschaften bei geringen statischen und dynamischen Verlusten. Eine solche Pufferschicht in einem Vierschichtgerät erfordert die Eliminierung von Anodenkurzschlüssen, aber die effektive Freisetzung von Elektronen während des Abschaltens bleibt erhalten. Bei dem neuen IGCT-Instrument ist die Pufferschicht mit einem transparenten Anodenemitter kombiniert. Eine transparente Anode ist ein pn-Übergang mit einer stromgesteuerten Emittereffizienz.

Für maximale Rauschunempfindlichkeit und Kompaktheit umgibt die Steuereinheit den IGCT, bildet eine einzige Struktur mit einem Kühler und enthält nur den Teil der Schaltung, der zur direkten Steuerung des IGCT benötigt wird. Dadurch wird die Anzahl der Elemente der Steuereinheit reduziert, die Parameter der Wärmeableitung, elektrische und thermische Überlastungen werden reduziert. Daher werden die Kosten der Steuereinheit und die Fehlerrate ebenfalls signifikant reduziert. Der IGCT mit seiner integrierten Steuereinheit wird einfach in dem Modul befestigt und durch die optische Faser präzise mit der Stromversorgung und der Quelle des Steuersignals verbunden. Durch das einfache Öffnen der Feder wird dank des ausgeklügelten Klemmkontaktsystems eine korrekt kalibrierte Klemmkraft auf den IGCT ausgeübt, wodurch elektrischer und thermischer Kontakt hergestellt wird. Somit werden die maximale Leichtigkeit der Montage und die größte Zuverlässigkeit erreicht. Wenn IGCT ohne Snubber arbeitet, muss die Reverse-Diode auch ohne Snubber funktionieren. Diese Anforderungen werden durch eine Hochleistungsdiode in einem Klemmgehäuse mit verbesserten Eigenschaften erfüllt, die mit dem Bestrahlungsverfahren in Kombination mit klassischen Verfahren hergestellt wird. Die Fähigkeit, di / dt bereitzustellen, wird durch den Betrieb der Diode bestimmt (siehe Fig. 6).

Vereinfachte dreiphasige Inverterschaltung für IGCT

Abb. 6. Vereinfachte dreiphasige Inverterschaltung für IGCT

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

Fazit

Die schnelle Entwicklung der Leistungstransistortechnologie in den frühen 1990er Jahren führte zur Entstehung einer neuen Klasse von Bauelementen - IGBTs - Bipolartransistoren mit isoliertem Gate. Die Hauptvorteile von IGBT sind hohe Betriebsfrequenz, Effizienz, Einfachheit und Kompaktheit der Steuerkreise (aufgrund des kleinen Steuerstroms).

Das Auftreten des IGBT in den letzten Jahren mit einer Betriebsspannung von bis zu 4500 V und der Fähigkeit, Ströme bis 1800 A zu pendeln, führte zur Verschiebung der verriegelten Thyristoren (GTO) in Geräten bis 1 MW und einer Spannung von bis zu 3,5 kV.

Die neuen IGCTs, die mit Schaltfrequenzen von 500 Hz bis 2 kHz arbeiten können und höhere Parameter als IGBT-Transistoren haben, kombinieren jedoch eine optimale Kombination von bewährten Thyristor-Technologien mit ihren inhärenten geringen Verlusten und einer kraftlosen, hocheffizienten Abschalttechnologie Steuerelektrode. Das IGCT-Gerät ist heute die ideale Lösung für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik für Mittel- und Hochspannung.

Eigenschaften moderner leistungsfähiger Leistungsschalter mit zweiseitiger Wärmeableitung sind in der Tabelle angegeben. 1.

Tabelle 1. Eigenschaften moderner leistungsfähiger Leistungsschalter mit zweiseitigem Kühlkörper

Gerätetyp Vorteile Nachteile Anwendungen
Traditioneller Thyristor (SCR) Geringste Verluste im On-Zustand. Die höchste Überlastfähigkeit. Hohe Zuverlässigkeit. Einfach parallel und in Serie verbinden. Nicht in der Lage, die Steuerelektrode zwangsweise zu verriegeln. Niedrige Betriebsfrequenz. DC-Laufwerk; leistungsstarke Netzteile; Schweißen; Schmelzen und Erhitzen; statische Kompensatoren; Wechselstromschalter
GTO Fähigkeit zur kontrollierbaren Verriegelung. Relativ hohe Überlastfähigkeit. Die Möglichkeit einer seriellen Verbindung. Betriebsfrequenzen bis 250 Hz bei einer Spannung von bis zu 4 kV. Hoher Verlust im On-Zustand. Sehr große Verluste im Kontrollsystem. Komplexe Steuerungssysteme und Stromversorgung zum Potenzial. Großer Verlust beim Umschalten. Der elektrische Antrieb; statische Kompensatoren; Blindleistung; unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, Induktionserwärmung
IGCT Fähigkeit zur kontrollierbaren Verriegelung. Die Überlastfähigkeit ist die gleiche wie die des GTO. Geringe Verluste im eingeschalteten Zustand zum Schalten. Betriebsfrequenz - bis zu Einheiten, kHz. Eingebaute Steuereinheit (Fahrer). Die Möglichkeit einer seriellen Verbindung. Nicht identifiziert aufgrund mangelnder Betriebserfahrung Leistungsstarke Stromversorgungen (Wechselrichter und Gleichrichterstationen von DC-Übertragungsleitungen); elektrischer Antrieb (Spannungswandler für Frequenzumrichter und elektrische Antriebe für verschiedene Zwecke)
IGBT Fähigkeit zur kontrollierbaren Verriegelung. Die höchste Betriebsfrequenz (bis 10 kHz). Einfaches Nicht-Energie-Management-System. Eingebauter Treiber. Sehr hohe Verluste im eingeschalteten Zustand. Elektrischer Antrieb (Chopper); unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; statische Kompensatoren und aktive Filter; wichtige Netzteile