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Moderne leistungssperrende Thyristoren

Einleitung

Die Herstellung von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik begann 1953, als es möglich wurde, Silizium mit hoher Reinheit und die Bildung von Siliziumscheiben mit großen Abmessungen zu erhalten. 1955 wurde zuerst ein Halbleiter-gesteuertes Bauelement geschaffen, das eine vierschichtige Struktur aufweist und als "Thyristor" bekannt ist.

Es wurde durch Anlegen eines Impulses an die Steuerelektrode bei einer positiven Spannung zwischen der Anode und der Kathode eingeschaltet. Das Ausschalten des Thyristors wird durch die Reduzierung des durchfließenden Gleichstroms auf Null bewirkt, für den eine Anzahl von Schaltungen von induktiven kapazitiven Schaltkreisen entwickelt wurden. Sie erhöhen nicht nur den Wert des Transformators, sondern verschlechtern auch seine massenspektralen Indikatoren, reduzieren die Zuverlässigkeit.

Mit der Erschaffung des Thyristors wurde daher begonnen, die Abschaltung der Steuerelektrode sicherzustellen. Das Hauptproblem war die Bereitstellung einer schnellen Resorption von Ladungsträgern in den Basisbereichen.

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

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

Thyristoren GTO

Vorrichtung

Abschließbarer Thyristor ist ein voll steuerbares Halbleiterbauelement, das auf einer klassischen Vierschichtstruktur basiert. Schalten Sie es ein und aus, indem Sie der Steuerelektrode positive und negative Stromimpulse zuführen. In Fig. 1 zeigt das Symbol (a) und das Blockschaltbild (b) des abgeschalteten Thyristors. Sie weist wie ein herkömmlicher Thyristor 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.

Fig. 1. Verschlossener Thyristor:
a-konventionelle Bezeichnung;
b- Strukturdiagramm

Die größte Veränderung bestand 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 gleichmäßige Stromreduktion über den gesamten Bereich der Halbleiterstruktur sicherzustellen, wenn das Gerät ausgeschaltet wird.

Die Basisschicht p weist trotz ihrer Gesamtheit 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 der entsprechenden Schicht eines herkömmlichen Thyristors ähnlich.

Die Anodenschicht p weist Nebenschlüsse (Zonen n) auf, die die n-Basis mit dem anodischen Kontakt durch kleine verteilte Widerstände verbinden. Anoden-Shunts werden in Thyristoren verwendet, die keine inverse Blockierfähigkeit haben. Sie sind so ausgelegt, dass sie die Ausschaltzeit des Geräts reduzieren, indem sie die Bedingungen für die Entnahme von Ladungen aus dem Basisbereich n verbessern.

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

Funktionsprinzip

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

Im schematischen Abschnitt der Thyristorstruktur (Abb. 1, b) ist der untere Pol 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 direkt in Kontakt mit dem Kathodenanschluss. 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 - Einbeziehung. Der Übergang der Thyristorstruktur vom Sperrzustand in den leitenden Zustand (Einschluß) ist nur möglich, wenn zwischen der Anode und der Kathode eine Durchlaßspannung angelegt wird. Die Übergänge j1 und j3 sind in Vorwärtsrichtung verschoben und stören nicht den Durchgang von Ladungsträgern. Die gesamte Spannung wird an die mittlere j2-Verbindung angelegt, die in die entgegengesetzte Richtung verschoben wird. In der Nähe der j2-Verbindung bildet sich eine Zone, die von Ladungsträgern abgereichert ist, die Region der Massenladung genannt wird. Zum Einschalten des Thyristors GTO wird entlang der Steuerschaltung eine Spannung positiver Polarität U G (Pin "+" zur Schicht p) an die Steuerelektrode und Kathode angelegt. Infolgedessen fließt der Strom des I G entlang der Schaltung.

Abschließbare Thyristoren stellen hohe Anforderungen an die Steilheit der Front-DIG / Dt und der Amplitude des IGM-Steuerstroms. Durch den j3-Übergang beginnt neben dem Leckstrom der Schaltstrom I G zu fließen. Die Elektronen, die diesen Strom erzeugen, werden von der Schicht n in die 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 Gegeninjektion von Löchern von der Schicht p in die Schicht n und weiter in die Schicht p gleichzeitig zunehmen. es wird eine Zunahme des von den Minoritätsträgern geschaffenen Stroms geben.

Der Gesamtstrom, der durch den Basisübergang j2 fließt, überschreitet den Schaltstrom, der Thyristor wird geöffnet, wonach die Ladungsträger alle vier Bereiche frei durchlaufen.

Phase 2 ist ein leitender Zustand. Im Gleichstrombetrieb ist kein Steuerstrom I G erforderlich, wenn der Strom im Anodenkreislauf den Wert des Begrenzungsstroms überschreitet. Um jedoch in der Praxis sicherzustellen, dass alle Strukturen des abgeschalteten Thyristors ständig in einem leitenden Zustand sind, ist es immer noch erforderlich, den für das gegebene Temperaturregime bereitgestellten Strom aufrechtzuerhalten. Somit erzeugt das Steuersystem während des Einschaltens und des Durchlassens einen Stromimpuls positiver Polarität.

Im leitenden Zustand sorgen alle Bereiche der Halbleiterstruktur für 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 bei unveränderter Spannung U T auszuschalten (siehe Fig. 3), wird entlang der Steuerschaltung eine Spannung negativer Polarität UGR an Steuerelektrode und Kathode angelegt. Es verursacht einen Ausschaltstrom, dessen Strom zur Resorption 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 entlang der Steuerelektrode in die gleiche Schicht eintreten.

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

Die Diagramme der Stromänderung der Anode (iT) und der Steuerelektrode (iG)

Fig. 2. Diagramme der Stromänderung der Anode (iT) und der Steuerelektrode (iG)

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

Der Rekombinationsprozeß und damit die Abschaltung des abschließbaren Thyristors hängt wesentlich von der Steilheit der Front dIGQ / dt und der Amplitude I GQ des Rückwärtssteuerstroms ab. Um die notwendige Steilheit und Amplitude dieses Stroms zu gewährleisten, muss an der Steuerelektrode eine Spannung UG angelegt werden, die den für j3 zulässigen Wert nicht überschreiten darf.

Phase 4 - Blockierzustand Im Blockierzustand verbleibt die Spannung negativer Polarität U GR von der Steuereinheit an der Steuerelektrode und der Kathode. Der Steuerstrom fließt durch den Gesamtstrom I GR , der aus dem Ableitstrom des Thyristors und dem durch j3 fließenden Rückwärtsstrom besteht. Der j3-Übergang bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung. Somit sind in dem Thyristor GTO im Vorwärtssperrzustand zwei Übergänge (j2 und j3) in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt, und zwei Raumladungsbereiche werden gebildet.

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

Schutzketten

Der Einsatz von Thyristoren GTO erfordert den Einsatz spezieller Schutzschaltungen. Sie erhöhen die Massendimensionen, die Kosten des Konverters, erfordern manchmal zusätzliche Kühlvorrichtungen, sind aber für die normale Funktion der Geräte notwendig.

Der Zweck einer Schutzschaltung besteht darin, die Anstiegsrate eines der zwei Parameter der elektrischen Energie beim Schalten eines Halbleiterbauelements 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 Gleichspannung dUT / dt, wenn der Thyristor abgeschaltet wird.

LE-Drosseln sind mit dem Gerät T in Reihe geschaltet. Sie begrenzen die Anstiegsgeschwindigkeit des Durchlassstroms dIT / dt beim Einschalten des Thyristors. Die Werte für 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

Fig. 3. Schema der Schutzschaltung

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

Steuersystem

Das Steuersystem (CU) umfasst folgende 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 Thyristor-Wartungsschaltung im geschlossenen Zustand.

Nicht alle Arten von CS benötigen alle aufgelisteten Blöcke, aber die Konturen der Bildung der Entriegelungs- und Sperrimpulse müssen jede SS enthalten. In diesem Fall muss eine galvanische Trennung der Steuerschaltung und des Stromkreises des abgeschalteten Thyristors sichergestellt werden.

Um den Betrieb des abgeschalteten Thyristors zu steuern, werden zwei Hauptsteuersysteme verwendet, die sich in der Art und Weise unterscheiden, in der sie die Steuerelektrode signalisieren. In dem 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 demselben Potential wie die SS liegen, werden dann über die galvanischen Trenneinrichtungen UE und UA der Steuerelektrode zugeführt.

In Abhängigkeit von dem Ort der Tasten unterscheiden SE und SA die Steuerschemata mit niedrigem Potential (NPSU) und hohem Potential (SSP, Fig. 4).

Steuerkreisoption

Fig. 4. Steuerkreisvariante

Das Steuersystem der NPSU ist strukturell einfacher als die SPSU, aber ihre Fähigkeiten sind in Bezug auf die Erzeugung von Steuersignalen mit langer Dauer, die in dem durch den Gleichstromthyristor fließenden Regime arbeiten, und auch bei der Sicherstellung der Steilheit der Steuerimpulse begrenzt. Um lange Signale zu erzeugen, müssen Sie teurere Gegentaktschaltungen verwenden.

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

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

GCT-Thyristoren

Mitte der 1990er Jahre entwickelten ABB und Mitsubishi einen neuen Typ von Thyristoren mit Gate-Kommutierung (GCT). Tatsächlich ist GCT eine weitere Verbesserung der GTO oder ihrer Modernisierung. Die grundsätzliche Neukonzeption der Steuerelektrode sowie die deutlich abweichenden Vorgänge beim Abschalten des Gerätes machen es jedoch sinnvoll, diese zu berücksichtigen.

Das GCT wurde als ein Instrument ohne GTO-spezifische Nachteile entworfen, also müssen wir zuerst die Probleme lösen, die mit dem GTO auftreten.

Der Hauptnachteil von GTO liegt in den großen Energieverlusten in den Schutzschaltungen des Geräts beim Umschalten. Die Erhöhung der Frequenz erhöht die Verluste, so dass die Thyristoren GTO in der Praxis mit einer Frequenz von nicht mehr als 250-300 Hz umgeschaltet werden. Die Hauptverluste treten im 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 begrenzt, wenn das Gerät ausgeschaltet wird. Dadurch, dass der Thyristor nicht empfindlich auf den du / dt-Effekt reagiert, konnte die im GCT-Design implementierte Snubber-Schaltung (der Weg zur Bildung des Schaltpfads) aufgegeben werden.

Kontroll- und Designmerkmal

Das Hauptmerkmal der GCT-Thyristoren ist im Vergleich zu GTO-Geräten eine schnelle Abschaltung, die sowohl durch eine Änderung des Steuerungsprinzips als auch durch eine verbesserte Auslegung des Gerätes erreicht wird. Ein schnelles Ausschalten wird realisiert, indem die Thyristorstruktur in eine Transistorstruktur umgewandelt wird, wenn das Gerät gesperrt ist, wodurch das Gerät nicht empfindlich für den du / dt-Effekt ist.

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

  • der Steuerstrom Ig ist gleich oder größer als der Anodenstrom Ia (für Thyristoren GTO Ig weniger als 3 bis 5 mal);
  • Die Steuerelektrode weist eine niedrige Induktivität auf, was es ermöglicht, eine Anstiegsrate des dig / dt-Steuerstroms von 3000 A / μs oder mehr zu erreichen (für Digitizer GTO ist der dig / dt-Wert 30-40 A / μs).

Verteilung der Ströme in der Struktur des Thyristors GCT bei Stilllegung

Fig. 5. Verteilung der Ströme in der Struktur des Thyristors GCT bei Stilllegung

In Fig. 5 zeigt die Verteilung von Strömen in der Struktur des Thyristors GCT, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Wie angegeben, ist der Betätigungsvorgang dem Einbau von GTO-Thyristoren ähnlich. 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 Vorwärtsstrom in das Steuersystem abgeleitet und erreicht die Kathode unter Umgehung des j3-Übergangs (zwischen den Bereichen p und n). Der j3-Übergang ist in die entgegengesetzte Richtung verschoben und der Kathodentransistor npn ist geschlossen. Ein weiteres Ausschalten des GCT ist analog zum Ausschalten eines Bipolartransistors, der keine externe Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit der Durchlassspannung du / dt erfordert und daher das Fehlen einer Überspannungsschutzkette erlaubt.

Die Änderung im Design des GCT ist darauf zurückzuführen, dass die dynamischen Vorgänge im Gerät beim Herunterfahren ein bis zwei Aufträge schneller ablaufen als im GTO. Wenn also die minimale Ausschaltzeit und der Sperrzustand für den GTO 100 μs betragen, überschreitet dieser Wert für GCT nicht 10 μs. Die Steigerungsrate des Steuerstromes beim Ausschalten des GCT beträgt 3000 A / μs, GTO - überschreitet 40 A / μs nicht.

Um eine hohe Dynamik der Schaltvorgänge zu gewährleisten, wurden die Auslegung der Ausgabe der Steuerelektrode und der Anschluss des Gerätes an den Pulstreiber der Steuerung geändert. Der Ausgang ist kreisförmig und umkreist das Gerät um den Umfang herum. Der Ring durchläuft den Keramikkörper des Thyristors und kontaktiert: im Inneren mit den Zellen der Steuerelektrode; außen - mit einer Platte, die die Steuerelektrode mit dem Impulsformer verbindet.

Jetzt werden die GTO-Thyristoren von mehreren großen Unternehmen 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 (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 Spannung UDRM bis 4500 V und aktuelles ITGQM bis 4000 A ausgelegt.

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

Parallel zu den abschließbaren Thyristoren und zur Verwendung mit diesen hat JSC "Electrovypryamitel" in der Serienfertigung schnell abbindende Dioden für Dämpfungs- (Dämpfungs-) Stromkreise und Rückstromdioden sowie einen leistungsfähigen Pulstransistor für Endstufen des Leiters der Steuerung (Steuerung) entwickelt und gemeistert.

Thyristoren IGCT

Dank des Konzepts der starren Kontrolle (dünne Regulierung von Legierungsprofilen, Meza-Technologie, Protonen- und Elektronenbestrahlung, um eine spezielle Verteilung kontrollierter Rekombinationszentren zu schaffen, die Technologie sogenannter transparenter oder dünner Emitter, die Verwendung einer Pufferschicht im n-Basisbereich usw.) beim Ausschalten. Die nächste große Errungenschaft in der Technologie von starr geregeltem GTO (HD GTO) in Bezug auf Instrumentierung, Steuerung und Anwendung war die Idee von gesteuerten Geräten auf der Basis eines neuen "gesperrten Thyristors mit integrierter Steuereinheit (Treiber)" (engl. Integrated Gate Commuted Thyristor (IGCT) . Dank der harten Steuertechnik erhöht ein gleichmäßiges Schalten den sicheren Arbeitsbereich des IGCT auf die durch Lawinendurchbruch begrenzten Grenzen, zB E. zu den physikalischen Fähigkeiten von Silizium. Es sind keine Schutzschaltungen erforderlich, um du / dt zu überschreiten. Die Kombination mit verbesserten Verlustleistungen ermöglichte neue Anwendungen im kHz-Bereich. Die für die Steuerung benötigte Leistung wird im Vergleich zum Standard-GTO um den Faktor 5 reduziert, vor allem aufgrund der transparenten Anodenkonstruktion. Die neue IGCT-Familie von monolithisch integrierten Hochleistungsdioden wurde für den Einsatz im Bereich von 0,5 bis 6 MVA entwickelt. IGCT-Geräte ermöglichen mit der vorhandenen technischen Leistungsfähigkeit der seriellen und parallelen Verbindung eine Leistungssteigerung von mehreren hundert Megavolt - Ampere.

Mit der integrierten Steuereinheit wird der Kathodenstrom reduziert, bevor die Anodenspannung anzusteigen beginnt. Dies wird durch die sehr geringe Induktivität des Steuerelektrodenkreises erreicht, die durch die koaxiale Verbindung der Steuerelektrode in Kombination mit der Multilayer-Platine der Steuereinheit realisiert wird. Dadurch wurde es möglich, den Wert der Ausschaltstromrate von 4 kA / μs zu erreichen. Bei einer Steuerspannung UGK = 20 V. Wenn der Kathodenstrom Null wird, gelangt der verbleibende Anodenstrom zu der Steuereinheit, die zu diesem Zeitpunkt einen niedrigen Widerstand hat. Hierdurch wird der Energieverbrauch der Steuereinheit minimiert.

Bei der "harten" Steuerung schaltet der Thyristor, wenn er für 1 us vom pnpn-Zustand in den pnp-Modus gesperrt ist. Die Abschaltung erfolgt vollständig im Transistormodus, so dass keine Möglichkeit besteht, den Triggereffekt auszulösen.

Die Verringerung der Dicke der Vorrichtung wird durch Verwendung einer Pufferschicht auf der Anodenseite erreicht. Die Pufferschicht von Leistungshalbleitern verbessert die Eigenschaften herkömmlicher Elemente, indem sie ihre Dicke um 30% bei der gleichen direkten Durchbruchspannung reduziert. Der Hauptvorteil von dünnen Elementen ist die Verbesserung der technologischen Eigenschaften bei geringen statischen und dynamischen Verlusten. Eine solche Pufferschicht in einem vierschichtigen Gerät erfordert die Beseitigung von Anodenkurzschlüssen, aber die effektive Freisetzung von Elektronen während des Herunterfahrens bleibt erhalten. In dem neuen IGCT-Instrument ist die Pufferschicht mit einem transparenten Anodenemitter kombiniert. Eine transparente Anode ist ein pn-Übergang mit einer stromgesteuerten Emitter-Effizienz.

Um eine maximale Störfestigkeit und Kompaktheit zu gewährleisten, umgibt die Steuereinheit das IGCT und bildet eine einzige Struktur mit einem Kühler. Sie enthält nur den Teil der Schaltung, der zur direkten Steuerung des IGCT benötigt wird. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Elemente der Steuereinheit, die Parameter Wärmeverlust, elektrische und thermische Überlastung werden reduziert. Daher werden die Kosten der Steuereinheit und die Ausfallrate ebenfalls erheblich reduziert. Der IGCT mit seiner integrierten Steuereinheit wird einfach im Modul fixiert und über die Lichtleitfaser präzise an die Stromversorgung und die Quelle des Steuersignals angeschlossen. Durch einfaches Öffnen der Feder wird durch das aufwendige Klemmkontaktsystem eine korrekt kalibrierte Klemmkraft auf den IGCT aufgebracht, die elektrischen und thermischen Kontakt erzeugt. So werden maximale Montagefreundlichkeit und höchste Zuverlässigkeit erreicht. Wenn IGCT ohne einen Snubber arbeitet, muss die Reverse-Diode auch ohne Snubber arbeiten. Diese Anforderungen werden erfüllt durch eine Hochleistungsdiode in einem Klemmgehäuse mit verbesserten Eigenschaften, die im Bestrahlungsverfahren in Kombination mit klassischen Verfahren hergestellt werden. Die Fähigkeit, di / dt bereitzustellen, wird durch den Betrieb der Diode bestimmt (siehe 6).

Vereinfachter Dreiphasen-Wechselrichterkreis für IGCT

Fig. 6. Vereinfachte dreiphasige Inverterschaltung für IGCT

Der Haupthersteller der IGCT Firma "ABB". Parameter der Thyristoren für 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 zum Entstehen einer neuen Klasse von Geräten - IGBTs - Insulated Gate Bipolar Transistors. Die Hauptvorteile von IGBT sind die hohe Betriebsfrequenz, Effizienz, Einfachheit und Kompaktheit von Steuerschaltungen (aufgrund des geringen Steuerstroms).

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

Die neuen IGCTs, die bei Schaltfrequenzen von 500 Hz bis 2 kHz arbeiten und höhere Parameter als IGBT-Transistoren haben, kombinieren eine optimale Kombination bewährter Thyristortechnologien mit ihren inhärenten geringen Verlusten und einer leistungslosen Abschalttechnologie mit hohem Wirkungsgrad Steuerelektrode. Das IGCT-Gerät ist heute die ideale Lösung für Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik von Mittel- und Hochspannung.

Merkmale moderner leistungsstarker Leistungsschalter mit beidseitiger Wärmeableitung sind in der Tabelle angegeben. 1.

Tabelle 1. Eigenschaften moderner leistungsfähiger Leistungsschalter mit zweiseitigem Kühlkörper

Gerätetyp Vorteile Nachteile Anwendungen
Herkömmlicher Thyristor (SCR) Niedrigste Verluste im On-Zustand. Die höchste Überlastungskapazität. Hohe Zuverlässigkeit. Einfacher Anschluss parallel und seriell. Keine Zwangsverriegelung der Steuerelektrode möglich. Niedrige Betriebsfrequenz. DC-Laufwerk; leistungsstarke Stromversorgungen; 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 in der Steuerung. Komplexe Steuerungssysteme und Energieversorgung des Potenzials. Großer Verlust beim Schalten. Der elektrische Antrieb; statische Kompensatoren; Blindleistung; unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Induktionserwärmung
IGCT Fähigkeit zur kontrollierbaren Verriegelung. Die Überlastungskapazität ist die gleiche wie die des GTO. Geringe Verluste im Einschaltzustand zum Schalten. Betriebsfrequenz - bis zu Einheiten, kHz. Eingebaute Steuereinheit (Fahrer). Die Möglichkeit einer seriellen Verbindung. Nicht identifiziert aufgrund fehlender operativer Erfahrung Leistungsstarke Stromversorgungen (Wechselrichter und Gleichrichter-Unterstationen von Gleichstromübertragungsleitungen); elektrischer Antrieb (Spannungswandler für Frequenzumrichter und elektrische Antriebe für verschiedene Zwecke)
IGBT Fähigkeit zur kontrollierbaren Verriegelung. Die höchste Betriebsfrequenz (bis zu 10 kHz). Einfaches Nicht-Energie-Management-System. Eingebauter Treiber. Sehr hohe Verluste im On-Zustand. Elektroantrieb (Chopper); unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; statische Kompensatoren und aktive Filter; Netzteile