Министерство сельского хозяйства ипродовольствия Республики Беларусь
Белорусский ГосударственныйАграрный Технический Университет
Реферат на тему:
«Запираемые тиристорыи полевые транзисторы»
Выполнил: студент 52 экгруппы
ГончаревичД.Н.
Минск 2010
Содержание:
1.История создания полевых транзисторов
2.Схемы включения полевых транзисторов
3.Классификация полевых транзисторов
4.Транзисторыс изолированным затвором (МДП-транзисторы)
5.МДП-транзисторы с индуцированным каналом
6.МДП-транзисторы со встроенным каналом
7.Современные силовые запираемые тиристоры
8.Устройство силовые запираемые тиристоры
9.Принцип действия силовые запираемые тиристоры
10.Система управления силовые запираемые тиристоры
11.Особенность управления и конструкции
Заключение
Полевой транзистор —полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действияперпендикулярного тока электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Протекание в полевомтранзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака(электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкийкласс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).
История созданияполевых транзисторов
Идея полевоготранзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволилисоздать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 годуДейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора —с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов —полевых транзисторов с барьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом в1966 году.
Схемы включения полевыхтранзисторов
Полевой транзисторможно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общимстоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).
На практике чаще всегоприменяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗаналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности вней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входнымсопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.
Классификация полевыхтранзисторов
По физической структуреи механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первуюобразуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл —полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредствомизолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик— полупроводник).
Транзисторы суправляющим p-n переходом
/>
Рис. 1. Устройствополевого транзистора с управляющим p-n переходом
Полевой транзистор суправляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован(то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённымв обратном направлении.
Такой транзистор имеетдва невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый токосновных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочныхперехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При измененииобратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно,толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда.Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжениемна управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основныхносителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основныеносители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходятосновные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулированияпоперечного сечения канала, называют затвором.
Электропроводностьканала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различаютполевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряженийсмещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом,противоположны.
Управление током стока,то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепинагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора(или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токовмощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источникасигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзисторможет обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и потоку и напряжению.
Таким образом, полевойтранзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевомтранзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Нопри этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода.Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода.Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этихэлектродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом,так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевыхтранзисторов в схемах.
От биполярноготранзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: вбиполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током,а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем.Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления,что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типеполевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низкимуровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах неиспользуется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевоготранзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла.Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярноготранзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхностикристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.
Транзисторы сизолированным затвором (МДП-транзисторы)
/>
Рис. 2. Устройствополевого транзистора с изолированным затвором.
Полевой транзистор сизолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён вэлектрическом отношении от канала слоем диэлектрика.
В кристаллеполупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называютподложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположнымотносительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлическиеэлектроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областямиистока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводникамежду истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Таккак исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний,то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенныйна поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слойдиэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура,состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторыс изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.
Входное сопротивлениеМДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов суправляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построениивысокоточных устройств.
Существуют дверазновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроеннымканалом.
В МДП-транзисторах синдуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированнымиобластями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стокапоявляется только при определённой полярности и при определённом значениинапряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговымнапряжением (UЗИпор).
В МДП-транзисторах совстроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором принулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой —канал, который соединяет исток со стоком.
Изображённые на рис. 2структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку сэлектропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком истоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводностьp-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностьюp-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.
МДП-транзисторы синдуцированным каналом
При напряжении назатворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, —ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-nперехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательномпотенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результатепроникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводникпри малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводникапод затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля иобласть объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированныхпримесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхностиполупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и являетсяканалом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будутизменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменятьсяи ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источникапитания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе сизолированным затвором и с индуцированным каналом.
В связи с тем, чтозатвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожномал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора инеобходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом,МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усилениеэлектромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.
Принцип усилениямощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачиносителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источникапитания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе довозникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падалона полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большуюпостоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действиемнапряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, покоторому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь понаправлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полеми их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока.Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителейзаряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменнойсоставляющей электрического поля в канале направлено противоположно постояннойсоставляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдаваяему часть своей энергии.
МДП-транзисторы совстроенным каналом
В данной схеме вкачестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированнымзатвором и индуцированным каналом.
В связи с наличиемвстроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе(см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться приизменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительнойполярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работатьв двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителямизаряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и насмещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затвореи его полярности (рис. 3).
Статическиехарактеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс,соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором иистоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения,при котором ток стока достигает заданного низкого значения.
Современные силовыезапираемые тиристоры
Введение
Созданиеполупроводниковых приборов для силовой электроники началось в 1953 г. когдастало возможным получение кремния высокой чистоты и формирование кремниевыхдисков больших размеров. В 1955 г. был впервые создан полупроводниковыйуправляемый прибор, имеющий четырёхслойную структуру и получивший название«тиристор».
Он включался подачейимпульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом икатодом. Выключение тиристора обеспечивается снижением протекающего через негопрямого тока до нуля, для чего разработано множество схем индуктивно-ёмкостныхконтуров коммутации. Они не только увеличивают стоимость преобразоваеля, но иухудшают его массо-габаритные показатели, снижают надёжность.
Поэтому одновременно ссозданием тиристора начались исследования, направленные на обеспечение еговыключения по управляющему электроду. Главная проблема состояла в обеспечениибыстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях.
Первые подобныетиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название GateTurn Off(GTO). В нашей стране они большеизвестны как запираемые или выключаемые тиристоры.
В середине 90-х годовбыл разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода.Он получил название GateCommutated Thyristor(GCT) и стал дальнейшем развитием GTO-технологии.
ТиристорыGTO
Устройство
Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическаячетырёхслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного иотрицательного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 1 приведеныусловное обозначение (а) и структурная схема (б) выключаемого тиристора.Подобно обычному тиристору он имеет катод K,анод А, управляющий электрод G.Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных ивертикальных слоёв с n-и проводимостями.
/>/>
Рис. 1. Запираемыйтиристор:
а- условноеобозначение;
б-структурная схема
Наибольшему изменениюподверглось устройство катодного слоя n.Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределённых поплощади и соединённых параллельно. Такое исполнение вызвано стремлениемобеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковойструктуры при выключении прибора.
Базовый слой p,несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактовуправляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномернораспределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой nвыполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.
Анодный слой pимеет шунты (зоны n), соединяющие n-базус анодным контактом через небольшие распределённые сопротивления. Анодные шунтыприменяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Онипредназначены для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшенияусловий извлечения зарядов из базовой области n.
Основное исполнениетиристоров GTO таблеточное счетырёхслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующиемолибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышеннойтепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющийэлектрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактнымиповерхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга иимеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.
Принцип действия
В цикле работытиристора GTO различают четыре фазы:включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.
На схематичном разрезетиристорной структуры (рис. 1, б) нижний вывод структуры анодный. Анодконтактирует со слоем p.Затемснизу вверх следуют: базовый слой n,базовый слой p (имеющий выводуправляющего электрода), слой n,непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре слоя образуют три p-nперехода: j1 между слоями pи n; j2между слоями n и p;j3между слоями p и n.
Фаза 1 — включение. Переходтиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение)возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом.Переходы j1 и j3смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов.Всё напряжение прикладывается к среднему переходу j2,который смещается в обратном направлении. Около перехода j2образуется зона, обеднённая носителями зарядов, получившая название- областьобъёмного заряда. Чтобы включить тиристор GTO,к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжениеположительной полярности UG(вывод “+” к слою p).В результате по цепи протекает ток включения IG.
Запираемые тиристорыпредъявляют жёсткие требования к крутизне фронта dIG/dtи амплитуде IGM тока управления. Черезпереход j3, кроме тока утечки,начинает протекать ток включения IG.Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя nв слой p. Далее часть из нихбудет перебрасываться электрическим полем базового перехода j2в слой n.
Одновременно увеличитсявстречная инжекция дырок из слоя pв слой n и далее в слой p,т.е. произойдёт увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов.
Cуммарныйток, проходящий через базовый переход j2,превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носителизарядов будут свободно переходить через все его четыре области.
Фаза 2 — проводящеесостояние. В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе управленияIG, если ток в цепи анода превышаетвеличину тока удержания. Однако на практике для того, чтобы все структурывыключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, всё женеобходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурногорежима. Таким образом, всё время включения и проводящего состояния системауправления формирует импульс тока положительной полярности.
В проводящем состояниивсе области полупроводниковой структуры обеспечивают равномерное движениеносителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок — в обратномнаправлении). Через переходы j1,j2 протекает анодный ток, черезпереход j3 — суммарный ток анодаи управляющего электрода.
Фаза 3 — выключение.Для выключения тиристора GTOпри неизменной полярности напряжения UT(см. рис. 3) к управляющему электроду и катоду по цепи управленияприкладывается напряжение отрицательной полярности UGR.Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведёт к рассасыванию основныхносителей заряда (дырок) в базовом слое p.Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой pиз базового слоя n, и электронов,поступивших в этот же слой по управляющему электроду.
По мере освобождения отних базового перехода j2тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшениемпрямого тока IТ тиристора за короткийпромежуток времени до небольшой величины IТQT(см. рис. 2). Сразу после запирания базового перехода j2начинает закрываться переход j3,однако за счёт энергии, запасённой в индуктивности цепей управления он ещёнекоторое время находится в приоткрытом состоянии.
/>
Рис. 2. Графикиизменения тока анода (iT)и управляющего электрода (iG)
После того, как всяэнергия, запасённая в индуктивности цепи управления, будет израсходована,переход j3 со стороны катодаполностью запирается. С этого момента ток через тиристор равен току утечки,который протекает от анода к катоду через цепь управляющего электрода.
Процесс рекомбинации и,следовательно, выключения запираемого тиристора во многом зависит от крутизныфронта dIGQ/dtи амплитуды IGQ обратного токауправления. Чтобы обеспечить необходимые крутизну и амплитуду этого тока, науправляющий электрод требуется подать напряжение UG,которое не должно превышать величины, допустимой для перехода j3.
Фаза 4 — блокирующеесостояние.В режиме блокирующего состояния к управляющему электроду и катодуостаётся приложенным напряжение отрицательной полярности UGRот блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток IGR,состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящегочерез переход j3. Переход j3смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO,находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2и j3) смещены в обратном направлении иобразованы две области пространственного заряда.
Всё время выключения иблокирующего состояния система управления формирует импульс отрицательнойполярности.
Защитные цепи
Использованиетиристоров GTO, требует примененияспециальных защитных цепей. Они увеличивают массо-габаритные показатели,стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств,однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.
Назначение любойзащитной цепи — ограничение скорости нарастания одного из двух параметровэлектрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этомконденсаторы защитной цепи СВ (рис. 3) подключают параллельно защищаемомуприбору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dUT/dtпри выключении тиристора.
Дроссели LEустанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скоростьнарастания прямого тока dIT/dtпри включении тиристора. Значения dUT/dtи dIТ/dtдля каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортныхданных на приборы.
/>
Рис.3. Схема защитной цепи
Кроме конденсаторов идросселей, в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающиеразряд и заряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DВ,который шунтирует резистор RВпри выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RВ,ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.
Система управления
Система управления (СУ)содержит следующие функциональные блоки: включающий контур, состоящий из схемыформирования отпирающего импульса и источника сигнала для поддержания тиристорав открытом состоянии; контур формирования запирающего сигнала; контурподдержания тиристора в закрытом состоянии.
Не для всех типов СУнужны все перечисленные блоки, но контуры формирования отпирающих и запирающихимпульсов должна содержать каждая СУ. При этом необходимо обеспечитьгальваническую развязку схемы управления и силовой цепи выключаемого тиристора.
Для управления работойвыключаемого тиристора применяются две основные СУ, отличающиеся способамиподачи сигнала на управляющий электрод. В случае представленном на рис. 4,сигналы, формируемые логическим блоком St,подвергаются гальванической развязке (разделение потенциалов), после чегопроизводится их подача через ключи SEи SA на управляющий электродвыключаемого тиристора Т. Во втором случае сигналы сначала воздействуют наключи SE (включения) и SA(выключения), находящиеся под тем же потенциалом, что и СУ, затем черезустройства гальванической развязки UEи UA подаются на управляющий электрод.
В зависимости отрасположения ключей SE и SAразличают низкопотенциальные (НПСУ) и высокопотенциальные (ВПСУ, рис. 4) схемыуправления.
/>
Рис.4. Вариант цепи управления
Система управления НПСУконструктивно проще, чем ВПСУ, однако её возможности ограничены в отношенииформирования управляющих сигналов большой длительности, действующих в режиме врежиме протекания через тиристор прямого тока, а также в обеспечении крутизныимпульсов управления. Для формирования сигналов большой длительности здесьприходится использовать более дорогие двухтактные схемы.
В ВПСУ высокая крутизнаи увеличенная длительность управляющего сигнала достигается проще. Кроме того,здесь сигнал управления используется полностью, в то время как в НПСУ еговеличина ограничивается устройством разделения потенциалов (например,импульсным трансформатором).
Информационный сигнал — команда на включение или выключение — обычно подаётся на схему черезоптоэлектронный преобразователь.
Тиристоры GCT
В середине 90-х годовфирмами «ABB» и «Mitsubishi»был разработан новый вид тиристоров GateCommutated Thyristor(GCT). Собственно, GCTявляется дальнейшим усовершенствованием GTO,или его модернизацией. Однако, принципиально новая конструкция управляющегоэлектрода, а также заметно отличающиеся процессы, происходящие при выключенииприбора, делают целесообразным его рассмотрение.
GCTразрабатывался как прибор, лишённый недостатков, характерных для GTO,поэтому сначала необходимо остановится на проблемах, возникающих при работе GTO.
Основной недостаток GTOзаключается в больших потерях энергии в защитных цепях прибора при егокоммутации. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике тиристорыGTO коммутируются с частотой не более250-300 Гц. Основные потери возникают в резисторе RВ(см. рис. 3) при выключении тиристора Т и, следовательно, разряде конденсатораСВ.
Конденсатор СВпредназначен для ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dtпри выключении прибора. Сделав тиристор не чувствительным к эффекту du/dt,создали возможность отказаться от снабберной цепи (цепи формирования траекториипереключения), что и было реализовано в конструкции GCT.
Особенность управленияи конструкции
Основной особенностьютиристоров GCT, по сравнению сприборами GTO, является быстроевыключение, которое достигается как изменением принципа управления, так исовершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуетсяпревращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, чтоделает прибор не чувствительным к эффекту du/dt.
GCTв фазах включения, проводящего и блокирующего состояния управляется также, каки GTO. При выключении управление GCTимеет две особенности:
ток управления Igравен или превосходит анодный ток Ia(для тиристоров GTOIg меньше в 3 — 5 раз);
управляющий электродобладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания токауправления dig/dt,равной 3000 А/мкс и более (для тиристоров GTOзначение dig/dtсоставляет 30-40 А/мкс).
/>
Рис. 5. Распределениетоков в структуре тиристора GCTпри выключении
На рис. 5 показанораспределение токов в структуре тиристора GCTпри выключении прибора. Как указывалось, процесс включения подобен включениютиристоров GTO. Процесс выключенияотличен. После подачи отрицательного импульса управления (-Ig)равного по амплитуде величине анодного тока (Ia),весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в систему управления идостигает катода, минуя переход j3(между областями p и n).Переход j3 смещается в обратномнаправлении, и катодный транзистор npnзакрывается. Дальнейшее выключение GCTаналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнегоограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dtи, следовательно, допускает отсутствие снабберной цепочки.
Изменение конструкции GCTсвязано с тем, что динамические процессы, возникающие в приборе при выключении,протекают на один — два порядка быстрее, чем в GTO.Так, если минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTOсоставляет 100 мкс, для GCTэта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления привыключении GCT составляет 3000 А/мкс,GTO — не превышает 40 А/мкс.
Чтобы обеспечитьвысокую динамику коммутационных процессов, изменили конструкцию выводауправляющего электрода и соединение прибора с формирователем импульсов системыуправления. Вывод выполнен кольцевым, опоясывающим прибор по окружности. Кольцопроходит сквозь керамический корпус тиристора и контактирует: внутри с ячейкамиуправляющего электрода; снаружи — с пластиной, соединяющей управляющий электродс формирователем импульсов.
Сейчас тиристоры GTOпроизводят несколько крупных фирм Японии и Европы: «Toshiba»,«Hitachi», «Mitsubishi»,«ABB», «Eupec».Параметры приборов по напряжению UDRM: 2500 В, 4500 В, 6000 В; по току ITGQM(максимальный повторяющийся запираемый ток): 1000 А, 2000 А, 2500 А, 3000 А,4000 А, 6000 А.
Тиристоры GCTвыпускают фирмы «Mitsubishi»и «ABB». Приборырассчитаны на напряжение UDRMдо 4500 В и ток ITGQM до 4000 А.
В настоящее времятиристоры GCT и GTOосвоены на российском предприятии ОАО «Электровыпрямитель» (г.Саранск).Выпускаются тиристоры серий ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА-193,ЗТФ-193 (подобен GCT) и др. сдиаметром кремниевой пластины до 125 мм и диапазоном напряжений UDRM1200 — 6000 В и токов ITGQM630 — 4000 А.
Параллельно сзапираемыми тиристорами и для использования в комплекте с ними в ОАО«Электровыпрямитель» разработаны и освоены в серийном производствебыстровостанавливающиеся диоды для демпфирующих (снабберных) цепей и диодыобратного тока, а также мощный импульсный транзистор для выходных каскадовдрайвера управления (система управления).
Тиристоры IGCT
Благодаря концепциижёсткого управления (тонкое регулирование легирующих профилей, мезатехнология,протонное и электронное облучение для создания специального распределенияконтролируемых рекомбинационных центров, технология так называемых прозрачныхили тонких эмиттеров, применение буферного слоя в n- базовой области и др.) удалось добиться значительного улучшения характеристикGTO при выключении. Следующим крупнымдостижением в технологии жёстко управляемых GTO(HD GTO)с точки зрения прибора, управления и применения стала идея управляемых приборовбазирующихся на новом «запираемом тиристоре с интегрированным блокомуправления (драйвером)» (англ. IntegratedGate-CommutatedThyristor (IGCT)).Благодаря технологии жёсткого управления равномерное переключение увеличиваетобласть безопасной работы IGCTдо пределов, ограниченных лавинным пробоем, т.е. до физических возможностейкремния. Не требуется никаких защитных цепей от превышения du/dt.Сочетание с улучшенными показателями потерь мощности позволило найти новыеобласти применения в килогерцовом диапазоне. Мощность, необходимая дляуправления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO,в основном за счёт прозрачной конструкции анода. Новое семейство приборов IGCT,с монолитными интегрированными высоко мощными диодами было разработано дляприменения в диапазоне 0,5 — 6 МВ*А. При существующей технической возможностипоследовательного и параллельного соединения приборы IGCTпозволяют наращивать уровень мощности до нескольких сотен мегавольт — ампер.
При интегрированномблоке управления катодный ток снижается до того, как анодное напряжениеначинает увеличиваться. Это достигается за счёт очень низкой индуктивности цепиуправляющего электрода, реализуемой за счёт коаксиального соединенияуправляющего электрода в сочетании с многослойной платой блока управления. Врезультате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока 4кА/мкс. При напряжении управления UGK=20В. когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходитв блок управления, который имеет в этот момент низкое сопротивление. За счётэтого потребление энергии блоком управления минимизируется.
Работая при«жёстком» управлении, тиристор переходит при запирании из p-n-p-nсостояния в p-n-pрежим за 1 мкс. Выключение происходит полностью в транзисторном режиме,устраняя всякую возможность возникновения триггерного эффекта.
Уменьшение толщины приборадостигается за счёт использования буферного слоя на стороне анода. Буферныйслой силовых полупроводников улучшает характеристики традиционных элементов засчёт снижения их толщины на 30% при том же прямом пробивном напряжении. Главноепреймущество тонких элементов — улучшение технологических характеристик принизких статических и динамических потерях. Такой буферный слой в четырёхслойномприборе требует устранения анодных закороток, но при этом сохраняетсяэффективное освобождение электронов во время выключения. В новом приборе IGCTбуферный слой комбинируется с прозрачным анодным эмиттером. Прозрачный анод — это p-nпереход с управляемой током эффективностью эмиттера.
Для максимальнойпомехоустойчивости и компактности блок управления окружает IGCT,формируя единую конструкцию с охладителем, и содержит только ту часть схемы,которая необходима для управления непосредственно IGCT.Как следствие, уменьшено число элементов управляющего блока, снижены параметрырассеяния тепла, электрических и тепловых перегрузок. Поэтому, такжесущественно снижена стоимость блока управления и интенсивность отказов. IGCT,с его интегрированным управляющим блоком, легко фиксируется в модуле и точносоединяется с источником питания и источником управляющего сигнала через оптоволокно.Путём простого размыкания пружины, благодаря детально разработанной прижимнойконтактной системе, к IGCTприлагается правильно рассчитанное прижимное усилие, создающее электрический итепловой контакт. Таким образом, достигается максимальное облегчение сборки инаибольшая надёжность. При работе IGCTбез снаббера, обратный диод тоже должен работать без снаббера. Эти требованиявыполняет высокомощный диод в прижимном корпусе с улучшенными характеристиками,произведённый с использованием процесса облучения в сочетании с классическимипроцессами. Возможности по обеспечению di/dtопределяются работой диода (см. рис. 6).
/>
Рис. 6. Упрощеннаясхема трёхфазного инвертора на IGCT
Основной производитель IGCTфирма «ABB».Параметрытиристоров по напряжению UDRM:4500 В, 6000 В; по току ITGQM:3000 А, 4000 А.
Заключение
Быстрое развитие вначале 90-х годов технологии силовых транзисторов привело к появлению новогокласса приборов — биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT- Insulated GateBipolar Transistors).Основными преимуществами IGBTявляются высокие значения рабочей частоты, КПД, простота и компактность схемуправления (вследствие малости тока управления).
Появление в последниегоды IGBT с рабочим напряжениемдо 4500 В и способностью коммутировать токи до 1800 А привело к вытеснениюзапираемых тиристоров (GTO)в устройствах мощностью до 1 МВт и напряжением до 3,5 кВ.
Однако новые приборы IGCT,способные работать с частотами переключения от 500 Гц до 2 кГц и имеющие болеевысокие параметры по сравнению с IGBTтранзисторами, сочетают в себе оптимальную комбинацию доказанных технологийтиристоров с присущими им низкими потерями, и бесснабберной, высокоэффективнойтехнологией выключения путём воздействия на управляющий электрод. Прибор IGCTсегодня — идеальное решение для применения в области силовой электроникисреднего и высокого напряжений.
Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом
Тип прибора Преимущества
Недостатки
Области применения Традиционный тиристор (SCR) Самые низкие потери во включённом состоянии. Самая высокая перегрузочная способность. Высокая надёжность. Легко соединяются параллельно и последовательно. Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота. Привод постоянного тока; мощные источники питания; сварка; плавление и нагрев; статические компенсаторы; ключи переменного тока GTO Способность к управляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способность. Возможность последовательного соединения. Рабочие частоты до 250 Гц при напряжении до 4 кВ. Высокие потери во включённом состоянии. Очень большие потери в системе управления. Сложные системы управления и подачи энергии на потенциал. Большие потери на переключение. Электропривод; статические компенсаторы; реактивной мощности; системы бесперебойного питания; индукционный нагрев IGCT Способность к управляемому запиранию. Перегрузочная способность та же, что и у GTO. Низкие потери во включённом состоянии на переключение. Рабочая частота — до единиц, кГц. Встроенный блок управления (драйвер). Возможность последовательного соединения. Не выявлены из-за отсутствия опыта эксплуатации Мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока); электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения) IGBT Способность к управляемому запиранию. Самая высокая рабочая частота (до 10 кГц). Простая неэнергоёмкая система управления. Встроенный драйвер. Очень высокие потери во включённом состоянии. Электропривод (чопперы); системы бесперебойного питания; статические компенсаторы и активные фильтры; ключевые источники питания