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Moderne sperrbare Thyristoren

Einleitung

Die Schaffung von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik begann 1953, als es möglich wurde, hochreines Silizium und die Bildung von großen Siliziumscheiben herzustellen. 1955 wurde zunächst eine halbleitergesteuerte Vorrichtung entwickelt, die eine vierschichtige Struktur aufweist und als Thyristor bezeichnet wurde.

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 Reduzieren des durch ihn fließenden Gleichstroms auf Null, für den viele Schemata von induktiv-kapazitiven Schaltkreisen entwickelt wurden. Sie erhöhen nicht nur die Kosten des Transformators, sondern verschlechtern auch seine massendimensionalen Parameter, verringern die Zuverlässigkeit.

Daher begann die Forschung gleichzeitig mit der Erzeugung des Thyristors, seine Abschaltung über die Steuerelektrode sicherzustellen. Das Hauptproblem bestand darin, eine schnelle Resorption von Ladungsträgern in den Basisbereichen sicherzustellen.

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

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

Thyristoren GTO

Gerät

Abschließbarer Thyristor ist ein vollständig kontrolliertes Halbleiterbauelement, basierend auf der klassischen Vierschichtstruktur. Ein- und Ausschalten durch Anlegen positiver und negativer Stromimpulse an die Steuerelektrode. In Abb. 1 zeigt das Symbol (a) und das Blockdiagramm (b) des Thyristors ist ausgeschaltet. Wie ein konventioneller Thyristor weist er eine Kathode K, eine Anode A, eine Steuerelektrode G auf. Unterschiede in den Strukturen von Bauelementen bestehen in einer unterschiedlichen Anordnung von horizontalen und vertikalen Schichten mit n- und p-Leitfähigkeiten.

Abb. 1. Abschließbarer Thyristor:
a ist ein Symbol;
b-Blockdiagramm

Die Vorrichtung der Kathodenschicht n hat die größte Änderung erfahren. Es ist in mehrere hundert Elementarzellen unterteilt, die gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Dieser Entwurf wird durch den Wunsch verursacht, eine gleichmßige Stromabnahme über die gesamte Fläche der Halbleiterstruktur sicherzustellen, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet wird.

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

Die Anodenschicht p hat Shunts (Zonen n), die die n-Basis mit dem Anodenkontakt über kleine verteilte Widerstände verbinden. Anoden-Shunts werden in Thyristoren verwendet, die nicht die Fähigkeit zur Sperrung besitzen. Sie sind so ausgelegt, dass sie die Auszeit des Geräts reduzieren, indem sie die Bedingungen zum Entnehmen von Ladungen aus dem Basisbereich n verbessern.

Die Hauptausführung der GTO-Thyristoren ist eine Tablette mit einer vierschichtigen Siliziumplatte, die durch thermokompensierende Molybdänscheiben zwischen zwei Kupferbasen eingeschlossen ist, die eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Eine Steuerelektrode mit einer Zuleitung in einem Keramikgehäuse steht in Kontakt mit dem Siliziumwafer. Die Vorrichtung wird durch die Kontaktflächen zwischen den zwei Hälften der Kühler, die voneinander isoliert sind und eine durch die Art des Kühlsystems bestimmte Struktur haben, festgeklemmt.

Funktionsprinzip

Im Betriebszyklus des Thyristors GTO werden vier Phasen unterschieden: ein, leitend, aus und blockiert.

Auf dem schematischen Schnitt der Thyristorstruktur (Fig. 1, b) ist der untere Ausgang der Struktur anodisch. Die Anode steht in Kontakt mit der Schicht p. Dann folgt von unten nach oben: Basisschicht n, Basisschicht p (mit Ausgang der Steuerelektrode), Schicht n in direktem Kontakt mit dem Kathodenausgang. 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 zum leitenden (Einschluss) ist nur möglich, wenn eine Gleichspannung 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-Verbindung ist eine Zone an Ladungsträgern erschöpft, die als Raumladungszone bezeichnet wird. Um den Thyristor GTO einzuschalten, wird eine positive Polarität U G an die Steuerelektrode und die Kathode entlang der Steuerschaltung angelegt (Pin "+" an die Schicht p). Infolgedessen fließt der Schaltstrom I durch die Schaltung.

Abschließbare Thyristoren stellen hohe Anforderungen an die Steilheit der dIG / dt-Front und die Amplitude des Steuerstroms IGM. Über den j3-Übergang beginnt neben dem Leckstrom der Einschaltstrom I G zu fließen. Die Elektronen, die diesen Strom erzeugen, werden von der Schicht n in die Schicht p injiziert. Ferner werden einige von ihnen durch das elektrische Feld des Basis-j2-Übergangs zu der Schicht n übertragen.

Zur gleichen Zeit wird die Gegeneinspritzung von Löchern von der Schicht p in die Schicht n und weiter in die Schicht p zunehmen, d.h. es wird eine Stromerhöhung durch nicht-primäre Ladungsträger geben.

Der Gesamtstrom, der durch den Basis-j2-Übergang fließt, übersteigt den Schaltstrom, der Thyristor wird geöffnet, wonach die Ladungsträger frei durch alle ihre vier Bereiche verlaufen.

Phase 2 - leitfähiger Zustand. Im Gleichstrommodus wird kein Steuerstrom I benötigt, wenn der Strom im Anodenkreis den Wert des Haltestroms übersteigt. Damit jedoch alle Strukturen des abzuschaltenden Thyristors ständig in einem leitenden Zustand sind, ist es immer noch notwendig, den für diesen Temperaturmodus vorgesehenen Strom aufrechtzuerhalten. Somit erzeugt das Steuersystem während des gesamten Einschaltens und Leitens des 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 und Löcher in der entgegengesetzten Richtung). Ein Anodenstrom fließt durch die Übergänge j1, j2 und der Gesamtstrom der Anoden- und Steuerelektrode durchläuft den j3-Übergang.

Phase 3 - Herunterfahren. Um den GTO-Thyristor mit einer konstanten Spannungspolarität U T auszuschalten (siehe 3), wird eine negative Spannung UGR an die Steuerelektrode und die Kathode entlang der Steuerschaltung angelegt. Es 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 p-Schicht eingetreten sind, und Elektronen, die entlang der Steuerelektrode in dieselbe Schicht eingetreten sind.

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

Diagramme von Anodenstrom (iT) und Kontrollelektrode (iG)

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

Nachdem die gesamte in der Induktivität der Steuerschaltung gespeicherte Energie aufgebraucht ist, ist der j3-Übergang von der Kathodenseite vollständig gesperrt. Von diesem Zeitpunkt an ist der Strom durch den Thyristor gleich dem Leckstrom, der von der Anode zu der Kathode durch die Steuerelektrodenschaltung fließt.

Der Vorgang der Rekombination und damit das Ausschalten 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 zu erhalten, muss an die Steuerelektrode eine Spannung UG angelegt werden, die den für den j3-Übergang zulässigen Wert nicht überschreiten darf.

Phase 4 - blockierender Zustand Im blockierenden Zustand bleibt eine negative Polaritätsspannung U GR von der Steuereinheit an die Steuerelektrode und die Kathode angelegt. Ein Gesamtstrom I GR fließt durch die Steuerschaltung, bestehend aus einem Thyristor-Leckstrom und einem Rückwärtssteuerstrom, der durch den j3-Übergang fließt. Der Übergang j3 wird in die entgegengesetzte Richtung verschoben. Somit werden in dem Thyristor GTO, der sich in dem direkt blockierenden Zustand befindet, zwei Übergänge (j2 und j3) in die entgegengesetzte Richtung verschoben und zwei Raumladungsbereiche werden gebildet.

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

Schutzketten

Die Verwendung von Thyristoren GTO erfordert die Verwendung spezieller Schutzschaltungen. Sie erhöhen die massen-dimensionalen Parameter, die Kosten des Wandlers erfordern manchmal zusätzliche Kühlvorrichtungen, sie sind jedoch für die normale Funktion der Geräte notwendig.

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

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

Schutzschaltplan

Abb. 3. Schutzschaltplan

Zusätzlich zu Kondensatoren und Drosseln werden zusätzliche Elemente in Schutzschaltungen verwendet, die die Entladung und Ladung von reaktiven Elementen sicherstellen. Diese umfassen: eine Diode DB, die den Widerstand R & sub8; bei ausgeschaltetem Thyristor T und die Ladung des Kondensators CB durchschaltet, den Widerstand RB, 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 Triggerimpulses und einer Signalquelle, um den Thyristor im offenen Zustand zu halten; Kontur der Bildung des Blockiersignals; Schaltung, um den Thyristor im geschlossenen Zustand zu halten.

Nicht alle Arten von Steuersystemen benötigen alle aufgelisteten Blöcke, aber die Konturen der Bildung von Entriegelungs- und Verriegelungsimpulsen müssen jedes Steuersystem enthalten. In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass die galvanische Trennung der Steuerschaltung und des Leistungskreises des Thyristors ausgeschaltet ist.

Um den Betrieb eines abgeschalteten Thyristors zu steuern, werden zwei Hauptsteuersysteme verwendet, die sich in den Verfahren zum Anlegen eines Signals an die Steuerelektrode unterscheiden. In dem in Abb. 4 werden die von der Logikeinheit St erzeugten Signale galvanisch getrennt (Potentialtrennung), danach werden sie über die Tasten SE und SA der Steuerelektrode des Thyristors T zugeführt, im zweiten Fall wirken die Signale zuerst auf die Tasten SE (ein) und SA (aus ), die auf dem gleichen Potential wie das Steuersystem liegen, dann werden über die galvanischen Trennvorrichtungen das UE und UA der Steuerelektrode zugeführt.

Abhängig von der Position der Schlüssel SE und SA gibt es Steuerschemata mit niedrigem Potential (NPSU) und hohem Potential (VPSU, Fig. 4).

Steuerkreis Option

Abb. 4. Option Steuerkreis

Das Steuersystem der NPSU ist strukturell einfacher als die VPSU, aber ihre Fähigkeiten sind begrenzt im Hinblick auf die Erzeugung von Steuersignalen langer Dauer, die in der Strömungsart durch den Vorwärtsstromthyristor arbeiten, sowie in der Gewährleistung der Steilheit der Steuerimpulse. Für die Bildung von Signalen mit langer Dauer müssen teurere Gegentaktschaltungen verwendet werden.

Bei VPSU wird eine hohe Steilheit und eine erhöhte Dauer des Steuersignals leichter erreicht. Zusätzlich wird hier das Steuersignal vollständig verwendet, während in der NPSU sein Wert durch eine Potentialtrennvorrichtung (beispielsweise einen Impulstransformator) begrenzt ist.

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

Thyristoren GCT

Mitte der 90er Jahre entwickelten die Firmen ABB und Mitsubishi einen neuen Typ von Thyristoren, Gate Commutated Thyristor (GCT). Tatsächlich ist das GCT eine weitere Verbesserung des GTO oder seiner Modernisierung. Die grundsätzliche Neugestaltung der Steuerelektrode sowie die beim Abschalten des Gerätes deutlich unterschiedlichen Prozesse machen es jedoch sinnvoll, sie zu berücksichtigen.

GCT wurde als ein Gerät entwickelt, das die für den GTO charakteristischen Mängel nicht aufweist, also müssen Sie zuerst die Probleme beenden, die beim Arbeiten mit GTO auftreten.

Der Hauptnachteil des GTO ist der große Energieverlust in den Schutzschaltungen des Gerätes beim Schalten. Eine Erhöhung der Frequenz erhöht den Verlust, weshalb in der Praxis die GTO-Thyristoren mit einer Frequenz von nicht mehr als 250-300 Hz geschaltet werden. Die Hauptverluste treten in dem Widerstand R & sub8; (siehe Fig. 3) auf, wenn der Thyristor T ausgeschaltet wird und folglich der Kondensator CB entladen wird.

Condenser CB ist so ausgelegt, dass die Anstiegsrate der Vorwärtsspannung du / dt beim Ausschalten des Geräts begrenzt wird. Indem der Thyristor gegenüber dem du / dt-Effekt unempfindlich gemacht wurde, war es möglich, die Snubber-Schaltung (die Schaltpfadbildungsschaltung) aufzugeben, die in dem Entwurf von GCT realisiert wurde.

Management-Funktion und Design

Das Hauptmerkmal der Thyristoren GCT ist, verglichen mit den GTO-Geräten, eine schnelle Abschaltung, die sowohl durch Änderung des Steuerprinzips als auch durch Verbesserung der Konstruktion des Gerätes erreicht wird. Die Schnellabschaltung wird realisiert, indem die Thyristorstruktur bei gesperrtem Gerät in einen Transistor umgewandelt wird, wodurch das Gerät unempfindlich gegen den du / dt-Effekt wird.

Das GCT im Einschalt-, Leit- und Blockierzustand wird auf die gleiche Weise wie der GTO gesteuert. 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 Anstiegsrate des Steuerstroms dig / dt gleich 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 von Strömen in der Struktur des Thyristors GCT, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Wie erwähnt, ist der Einschlußvorgang ähnlich dem Einschluß von Thyristoren GTO. Der Shutdown-Prozess ist anders. Nach dem Zuführen eines negativen Steuerimpulses (-Ig), dessen Größe dem anodischen Strom (Ia) entspricht, weicht der gesamte durch die Vorrichtung fließende Gleichstrom in das Steuersystem ab und erreicht die Kathode unter Umgehung des Übergangs j3 (zwischen den Bereichen p und n). Der j3-Übergang wird in die entgegengesetzte Richtung verschoben, und der npn-Kathodentransistor schließt sich. Ein weiteres Ausschalten des GCT ist ähnlich dem Ausschalten eines beliebigen Bipolartransistors, der keine externe Begrenzung der Anstiegsrate der Vorwärtsspannung du / dt erfordert und daher das Fehlen einer Überspannungsschutzschaltung ermöglicht.

Die Änderung des Designs des GCT ist darauf zurückzuführen, dass die dynamischen Prozesse, die im ausgeschalteten Gerät auftreten, um ein bis zwei Größenordnungen schneller ablaufen als im GTO. Wenn also die Mindestausschaltzeit und der Blockierzustand für einen GTO 100 μs beträgt, überschreitet dieser Wert für GCT nicht 10 μs. Die Anstiegsgeschwindigkeit 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, wurde die Auslegung des Ausgangs der Steuerelektrode und die Verbindung des Gerätes mit dem Impulsformer des Steuerungssystems verändert. Der Ausgang ist ringförmig und umgibt das Gerät um den Umfang herum. Der Ring durchdringt das Keramikgehäuse des Thyristors und kontaktiert: innen mit Zellen der Steuerelektrode; außen - mit einer Platte, die die Steuerelektrode mit dem Pulsformer verbindet.

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

Thyristoren GCT hergestellt von der Firma "Mitsubishi" und "ABB". Die Geräte sind für UDRM-Spannung bis 4500 V und ITGQM-Strom bis 4000 A ausgelegt.

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

Parallel zu sperrbaren Thyristoren und in Kombination mit ihnen hat Electrovypryamitel OJSC schnell arbeitende Dioden für Dämpfungsschaltungen (Snubber) und Rückstromdioden sowie einen leistungsfähigen Impulstransistor für Ausgangsstufen eines Steuertreibers (Steuersystem) entwickelt und beherrscht.

Thyristoren IGCT

Dank des Konzeptes der harten Kontrolle (Feinregulierung von Legierungsprofilen, Mesatechnologie, Protonen- und Elektronenbestrahlung zur Schaffung einer speziellen Verteilung von kontrollierten Rekombinationszentren, der Technologie von sogenannten transparenten oder dünnen Emittern, der Verwendung einer Pufferschicht in der n-Basisregion, etc.) wenn Sie abschalten. Die nächste große Errungenschaft in der Technologie von streng kontrollierten GTO (HD GTO) in Bezug auf Instrument, Steuerung und Anwendung war die Idee der gesteuerten Geräte basierend auf einem neuen "abschließbaren Thyristor mit einer integrierten Steuereinheit (Treiber)" (Englischer Integrierter Gate-Kommutierter Thyristor (IGCT)) . Dank der hard-control-Technologie erhöht ein einheitliches Schalten den sicheren Betrieb des IGCT bis zu den Grenzen, die durch den Lawinendurchbruch begrenzt sind, d.h. bis zu den physikalischen Fähigkeiten von Silizium. Es sind keine Schutzschaltungen gegen Überschreiten der Grenzwerte erforderlich. Die Kombination mit verbesserten Verlustleistungsindikatoren ermöglichte es uns, neue Anwendungen im Kilohertz-Bereich zu finden. Die für die Steuerung erforderliche Leistung ist im Vergleich zu Standard-GTO um das 5-fache 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 der vorhandenen technischen Fähigkeit der seriellen und parallelen Verbindung ermöglichen IGCT-Geräte die Erhöhung der Leistung auf einige hundert Megavoltampere.

Mit einer integrierten Steuereinheit nimmt der Kathodenstrom ab, bevor die Anodenspannung anzusteigen beginnt. Dies wird durch die sehr geringe Induktivität der Steuerelektrodenschaltung erreicht, die durch die koaxiale Verbindung der Steuerelektrode in Verbindung mit einer Multilayer-Platine der Steuereinheit realisiert wird. Dadurch konnte ein Abschaltstrom von 4 kA / μs erreicht werden. Wenn die Steuerspannung UGK = 20 V ist, wenn 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 aus dem pnpn-Zustand gesperrt ist. Die Abschaltung erfolgt vollständig im Transistor-Modus, wodurch die Möglichkeit eines Trigger-Effekts ausgeschlossen ist.

Die Verringerung der Dicke der Vorrichtung wird durch Verwendung einer Pufferschicht auf der Seite der Anode 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 mit geringen statischen und dynamischen Verlusten. Eine solche Pufferschicht in einem Vierschichtgerät erfordert die Beseitigung von Anodenkurzschlüssen, gleichzeitig wird jedoch die effektive Freisetzung von Elektronen während des Abschaltens beibehalten. Das neue IGCT-Gerät kombiniert eine Pufferschicht mit einem transparenten Anodenemitter. Die transparente Anode ist ein pn-Übergang mit stromgesteuerter Emittereffizienz.

Für maximale Rauschunempfindlichkeit und Kompaktheit umgibt die Steuereinheit den IGCT, bildet ein einziges Design mit einem Kühler und enthält nur den Teil des Schaltkreises, der notwendig ist, um den IGCT direkt zu steuern. 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 im Modul befestigt und ist über Lichtwellenleiter präzise mit der Stromversorgung und der Steuersignalquelle verbunden. Durch einfaches Öffnen der Feder wird, dank eines gut entwickelten Klemmkontaktsystems, eine korrekt berechnete Klemmkraft auf den IGCT aufgebracht, wodurch ein elektrischer und thermischer Kontakt entsteht. Somit wird maximale Montagefreundlichkeit und maximale Zuverlässigkeit erreicht. Beim Betrieb von IGCT ohne Snubber sollte die Reverse-Diode auch ohne Snubber funktionieren. Diese Anforderungen werden durch eine Hochleistungsdiode in einem Druckgehäuse mit verbesserten Eigenschaften erfüllt, die mit einem Bestrahlungsprozess in Kombination mit klassischen Verfahren hergestellt wird. Die Möglichkeiten zur Bereitstellung von di / dt werden durch den Betrieb der Diode bestimmt (siehe Fig. 6).

Vereinfachter Dreiphaseninverter auf IGCT

Abb. 6. Vereinfachter Dreiphasen-Inverter auf IGCT

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

Fazit

Die rasante Entwicklung der Leistungstransistortechnologie in den frühen 1990er Jahren führte zur Entwicklung einer neuen Klasse von Bauelementen - Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT). Die Hauptvorteile von IGBT sind hohe Werte der Betriebsfrequenz, Effizienz, Einfachheit und Kompaktheit von Steuerschaltungen (aufgrund der Kleinheit des Steuerstroms).

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

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 die optimale Kombination aus bewährter Thyristor-Technologie mit ihren inhärenten geringen Verlusten und einer nicht unterstützten, hocheffizienten Abschalttechnologie Steuerelektrode. Das IGCT-Gerät ist heute die ideale Lösung für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik mittlerer und hoher Spannungen.

Eigenschaften von modernen leistungsfähigen Leistungsschaltern mit doppelseitigem Kühlkörper sind in der Tabelle angegeben. 1.

Tabelle 1. Eigenschaften moderner leistungsfähiger Leistungsschalter mit beidseitigem Kühlkörper

Gerätetyp Vorteile Nachteile Anwendungsbereiche
Traditioneller Thyristor (SCR) Der geringste Verlust im On-Zustand. Die höchste Überlastfähigkeit. Hohe Zuverlässigkeit. Einfach parallel und in Reihe zu verbinden. Nicht in der Lage, die Steuerelektrode zwangsweise zu verriegeln. Niedrige Arbeitsfrequenz. DC-Laufwerk; leistungsstarke Netzteile; Schweißen; Schmelzen und Erhitzen; statische Kompensatoren; ac Schlüssel
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 An-Zustand. Sehr große Verluste im Kontrollsystem. Ausgefeilte Steuerungs- und Stromversorgungssysteme für das Potenzial. Große Schaltverluste. Elektrischer Antrieb; statische Kompensatoren; Blindleistung; unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; Induktionserwärmung
IGCT Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Die Überlastfähigkeit ist die gleiche wie die des GTO. Geringe Verluste beim Einschalten. Betriebsfrequenz - bis zu Einheiten, kHz. Eingebaute Steuereinheit (Fahrer). Die Möglichkeit der seriellen Verbindung. Nicht identifiziert aufgrund mangelnder Betriebserfahrung. Leistungsstarke Stromquellen (Wechselrichter und Gleichrichterstationen von DC-Übertragungsleitungen); elektrischer Antrieb (Spannungswandler für Frequenzumrichter und elektrische Antriebe für verschiedene Zwecke)
IGBT Die Fähigkeit zur kontrollierten Verriegelung. Höchste Arbeitsfrequenz (bis 10 kHz). Einfaches Nicht-Power-Management-System. Eingebauter Treiber. Sehr hohe Verluste im eingeschalteten Zustand. Elektrischer Antrieb (Chopper); unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; statische Kompensatoren und aktive Filter; wichtige Stromquellen