Thyristors de puissance modernes verrouillables

Introduction

Mise en place de dispositifs semi-conducteurs pour l'électronique de puissance a commencé en 1953 quand il est devenu possible de produire du silicium de haute pureté et de la formation de grands disques de silicium. En 1955 était Dispositif semi-conducteur d'abord établi contrôlée ayant une structure et une quatre dite "RCS".

Il consiste à alimenter en une impulsion de commande à l'électrode à une tension positive entre l'anode et la cathode. Mise hors tension du thyristor est fourni par la réduction de l'écoulement à travers un courant continu à zéro, qui a développé un certain nombre de régimes inductive-capacitive des circuits de commutation. Ils ajoutent non seulement preobrazovaelya valeur, mais aussi nuire à son poids et de taille, de réduire la fiabilité.

Par conséquent, simultanément à la création d'un thyristor a entrepris des recherches pour s'assurer qu'il est désactivé sur l'électrode de commande. Le problème principal était d'assurer la dispersion rapide des porteurs de charge dans les domaines de base.

Les premiers de ces thyristors est paru en 1960 aux États-Unis. Ils ont obtenu le nom de Gate Turn Off (GTO). Dans notre pays, ils sont connus comme verrouillable ou de la puissance thyristors.

En milieu des années 90 a été conçu verrouillable avec une électrode en anneau borne de commande thyristor. Il a été nommé porte à commutation Thyristor (GCT) et a été le développement de la GTO-technologie.

Thyristors GTO

Dispositif

Verrouillable RCS - entièrement contrôlés Dispositif semi-conducteur, basé sur le classique à quatre couches de structure. Activée et désactivée la fourniture du positives et négatives des impulsions de courant à l'électrode de commande. Dans la figure. La figure 1 montre le symbole (a) et le diagramme (b) éteint le thyristor. Comme d'habitude il a thyristor cathode K, l'anode A, l'électrode de commande G. Les différences dans les structures de dispositifs est dans une disposition différente des couches horizontales et verticales de n-et p-conductivités.

Dans la figure. A. Verrouillable thyristor: un symbole-; b-bloc diagramme

Subi la plus grande variation de la couche de dispositif n cathodique. Il est divisé en plusieurs centaines de cellules unitaires sont uniformément réparties sur la zone et connectés en parallèle. Cette performance est due à une volonté d'assurer une diminution uniforme du courant sur toute la surface de la structure semi-conductrice lorsque vous éteignez l'appareil.

La couche de base de p, même si qui est conçu comme un tout, a un grand nombre de contacts de l'électrode de commande (cathodique approximativement égale au nombre de cellules) sont également répartis uniformément sur la zone et connectés en parallèle. La couche de base est faite n semblable à la couche correspondante de thyristor classique.

Le p couche d'anode comporte des shunts (zones n), reliant le contact de base n avec l'anode à travers une petite résistance distribuée. Thyristors shunt anode utilisée dans la non-possibilité de blocage inverse. Ils sont conçus pour réduire le temps de l'appareil hors tension en améliorant le recouvrement des frais de la région de base de n.

Thyristor GTO version de base comprimé avec une plaque de silicium à quatre sandwich par des disques de molybdène termokompensiruyuschie entre deux bases de cuivre possédant une haute conductivité thermique et électrique. Depuis la plaque de silicium est contacté électrode de commande, qui a conclu dans un boîtier en céramique. Dispositif est serrée surfaces de contact entre les deux moitiés des refroidisseurs, isolés les uns des autres et ayant une structure déterminée par le type de système de refroidissement.

Principe de fonctionnement

Dans une série de thyristors GTO sont quatre phases: l'inclusion, l'état de conduction, la fermeture et le verrouillage de l'État.

Dans la structure de thyristor coupe schématique (fig. 1, b) l'extrémité inférieure de la structure d'anode. L'anode est en contact avec une couche de p.Zatem ascendante est suivie d'une couche de base de n, la couche de base de p (qui a la sortie de l'électrode de commande), une couche de n, le contact direct avec la borne de cathode. Quatre couches former trois jonction pn: j1 entre les couches p et n; j2 entre les couches n et p; j3 entre les couches p et n.

Phase 1 - l'inclusion. La structure de transition de l'état thyristor de blocage à la conduite (insertion) n'est possible que par l'application d'une tension continue entre l'anode et la cathode. Transitions J1 et J3 à faire avancer les et ne pas entraver le passage des porteurs de charge. Tout tension est appliquée à l'j2 de transition moyen, qui se déplace dans la direction opposée. À propos de j2 zone de transition est formé, appauvrie en porteurs de charge, connus sous le nom d'une région de charge d'espace. Pour activer le thyristor GTO, à l'électrode de commande et la cathode de la tension de circuit de commande est appliqué avec polarité positive U _U (O "+" à la couche de p). En conséquence, un circuit de commutation de courant I _G.

Verrouillable thyristors imposer des exigences strictes sur la pente de la DIG avant / dt et l'amplitude de la gestion actuelle de l'IGM. Après la transition j3, sauf pour le courant de fuite commence à s'écouler de commutation de courant I _G. La création de ce courant des électrons sont injectés à partir de la couche n de la couche p. En outre, certains d'entre eux sera de jeter le champ électrique de l'j2 transition sous-jacente dans la couche n.

En même temps augmenter le compteur de la couche d'injection de trous dans la couche de p n, et plus tard dans la couche p, c.-à- augmentera les transporteurs actuels minoritaires générés.

Le courant total à travers le passage j2 de base, dépasse le courant de commutation, le thyristor est ouvert, après quoi des porteurs de charge sont libres de naviguer à travers les quatre son champ.

Phase 2 - l'état conducteur. Au cours du courant continu n'est pas nécessaire pour commander le courant I _U, si le courant d'anode dans le circuit dépasse le courant de maintien. Toutefois, en pratique, afin de s'assurer que toutes les structures étaient constamment quand il est éteint conduction thyristor, est encore nécessaire de maintenir le courant, prévu pour une température donnée. Ainsi, tout le temps sur l'état conducteur et du système de contrôle génère une impulsion de courant de polarité positive.

Dans l'état supraconducteur, tous de la structure semi-conductrice fournit un mouvement uniforme de porteurs de charge (électrons de la cathode à l'anode, le trou - dans la direction opposée). Grâce à des transitions J1, J2 anode courant circule à travers la transition J3 - le courant total de l'anode et l'électrode de commande.

Phase 3 - hors. Pour désactiver le thyristor GTO avec une polarité de la tension constante _T U (voir Fig. 3) à l'électrode de commande et la cathode de la tension de circuit de commande de polarité négative est appliquée UGR. Il provoque le courant l'arrêt, ce qui conduit à l'apparition de la résorption des porteurs de charge principales (trous) dans la couche de base de p. En d'autres termes, il ya une recombinaison de trous, placé à la couche p de la couche de base n, et les électrons collectés dans la même couche sur l'électrode de commande.

Avec la sortie de leur thyristor j2 de transition de base commence à se bloquer. Ce processus est caractérisé par une forte baisse dans le thyristor courant I _T dans un court laps de temps pour une petite valeur de I _TQT (voir Fig. 2). Immédiatement après la fermeture de la base de la transition commence à se fermer la transition J2 J3, mais au détriment de l'énergie stockée dans l'inductance du circuit de commande pendant un certain temps, il est entrouverte condition.

Dans la figure. Deux. Graphiques de courant d'anode (Ti) et l'électrode de commande (iG)

Après toute l'énergie stockée dans l'inductance du circuit de commande sera utilisé, l'j3 transition du côté de la cathode est complètement verrouillé. Depuis lors, le courant à travers le thyristor est courant de fuite, qui s'écoule de l'anode vers la cathode à travers la chaîne de l'électrode de commande.

Processus de recombinaison et, par conséquent, verrouillable hors thyristor dépend de la raideur du front dIGQ / dt et l'amplitude de la gestion de courant inverse I _GQ. Pour donner la pente nécessaire et l'amplitude de ce courant, la tension d'électrode de contrôle est tenu de soumettre UG, qui ne doit pas dépasser la valeur permise pour la transition j3.

Phase 4 - condition.Contact état ​​de blocage à blocage de modes à l'électrode de commande et la cathode est appliquée la tension de polarité négative U _GR provenant de l'unité de commande. Dans le circuit de commande prend le total _GR courant _I, consistant en une grille de fuite de courant et le thyristor courant inverse circulant à travers la jonction j3. J3 de transition est décalée dans la direction opposée. Ainsi, le thyristor GTO, situé dans l'état de blocage de l'avant, deux transitions (J2 et J3) sont décalées dans la direction opposée et sont formées par deux à charge d'espace région.

Tout le temps hors de blocage et l'état du système de commande forme l'impulsion de polarité négative.

Le circuit de protection

L'utilisation de thyristors GTO, nécessite des circuits de protection spéciales. Ils augmentent les données relatives au poids et la taille, le coût du convertisseur, et nécessitent parfois d'autres dispositifs de refroidissement, mais qui sont nécessaires pour le fonctionnement normal des appareils.

Désignation d'un circuit de protection - la croissance limite de vitesse de l'un des deux paramètres de dispositif de puissance à semi-conducteur de commutation électrique. Dans ce circuit de protection des condensateurs CB (fig. 3) sont connectés en parallèle à l'appareil protégé T. Ils limitent la vitesse de montée de la tension directe DUT / dt lors de turn-off thyristor.

LE arrêt installés en série avec le dispositif de T. Ils limitent la vitesse de montée de dt DIT / courant direct lorsque vous allumez le thyristor. Valeurs DUT / dt et DIT / dt pour chaque instrument sont normalisées, elles pointent vers les répertoires et les données concernant le passeport sur les appareils.

Dans la figure. Trois. Le schéma de circuit de protection

En plus de condensateurs et inductances dans les circuits de l'utilisation des éléments de protection supplémentaires pour la décharge et de charge des éléments réactifs. Il s'agit notamment de: la diode DB, qui contourne la résistance pendant le turn-off thyristor RB T et de charger le condensateur CB, résistance RB qui limite le courant de décharge du condensateur CB lorsque vous allumez le thyristor T

Système de gestion

Le système de commande (CS) contient les blocs fonctionnels suivants: comprend un circuit constitué par la formation des circuits de déverrouillage d'impulsion et la source de signal pour maintenir le thyristor à l'état ouvert, formant un trajet de signal de verrouillage de circuit pour maintenir le thyristor dans la position fermée.

Tous les types de SU besoin de tous ces blocs, mais les contours de la formation et le déverrouillage de verrouillage d'impulsion doit contenir chaque SU. Il est nécessaire de s'assurer que le circuit de contrôle d'isolement et de circuit de puissance quand il est éteint thyristor.

Pour commander le fonctionnement quand il est éteint thyristor utilisé deux SU majeure, différant les moyens de signal à l'électrode de commande. Dans le cas de la figure. 4, les signaux générés par le Saint-unité logique, sous réserve de l'isolement galvanique (séparation des potentiels), suivie par une présentation de leurs touches par l'intermédiaire du SE et SA sur l'électrode de grille quand il est éteint thyristor T. Dans le second cas, les signaux agissent sur le premier SE indices (inclus) et SA (hors ) sous le même potentiel que la SS, puis à travers un dispositif d'isolation galvanique UE et UC sont amenés à l'électrode de commande.

Selon l'emplacement de la clé de SE et SA distinguer à faible potentiel (NPSU) et à fort potentiel (VPSU, Fig. 4) circuit de commande.

Dans la figure. 4. Gestion de la chaîne Option

Système de commande de structure plus simple NPSU VPSU, mais ses capacités sont limitées par rapport à la formation des signaux de commande de mode de fonctionnement longue durée dans le mode d'écoulement à travers le thyristor courant direct, tout en fournissant la pente des impulsions de commande. Pour la génération de signaux de longue durée est nécessaire d'utiliser plus cher circuit push-pull.

Dans VPSU ténacité élevée et une augmentation de la durée du signal de commande est réalisé aisément. En outre, le signal de commande est utilisé dans son intégralité, tandis que sa valeur est limitée capacités NPSU partage de périphériques (par exemple, un transformateur d'impulsions).

Le signal d'information - une commande pour activer ou désactiver - en général appliquée au circuit à travers le convertisseur optoélectronique.

Thyristors GCT

Dans le milieu des années 90 les entreprises "ABB" et "Mitsubishi" a développé un nouveau type de thyristor à commutation gâchette du thyristor (GCT). En fait, le GCT est une nouvelle amélioration de la GTO, ou de mise à niveau. Cependant, une conception radicalement nouvelle de l'électrode de commande, et les processus sensiblement différents qui se produisent lorsque vous éteignez l'appareil, ce qui en fait un examen approprié.

GCT est conçu comme une unité, sans les défauts de la GTO, de sorte que vous devez d'abord arrêter sur les problèmes rencontrés lors de l'utilisation GTO.

Le principal inconvénient est la perte d'énergie de grands GTO dans le dispositif de commutation circuit de protection quand. Augmentation de la fréquence augmente les pertes, dans la pratique thyristors GTO sont commutés avec une fréquence de pas plus de 250 à 300 Hz. Des pertes importantes se produisent dans la résistance RB (voir Fig. 3) lorsque vous éteignez le thyristor T et, par conséquent, la décharge du condensateur CB.

Condensateur CB est conçu pour limiter la vitesse de montée de la tension directe du / dt lors de turn-off appareil. Faire le thyristor n'est pas sensible à l'effet de du / dt, ont permis d'abandonner circuit de protection (la formation des circuits de commutation trajectoire), qui a été mis en œuvre dans la conception de GCT.

Gestion des fonctionnalités et le design

La principale caractéristique de GCT thyristors, en comparaison avec les dispositifs GTO, un arrêt rapide, ce qui est réalisé par un changement dans le principe de la gestion et l'amélioration de la conception du dispositif. Éteindre rapidement transformation de la structure thyristor est réalisé dans le transistor lors du verrouillage du dispositif, ce qui rend l'instrument n'est pas sensible à l'effet de du / dt.

GCT dans les phases comprise conduction et de blocage est commandé Etats ainsi que le GTO. Lorsque vous éteignez le contrôle de GCT a deux caractéristiques:

• de commande de courant Ig est égale ou supérieure à la Ia de courant d'anode (pour thyristors GTO Ig plus petite dans 3 - 5 fois);
• électrode de grille a une faible inductance, ce qui permet de taux de commande de balayage dt fouille / courant, égale à 3000 A / ms ou plus (GTO pour thyristors valeur fouille / dt est de 30-40 A / ms).

Dans la figure. Cinq. La distribution de courant dans la structure du thyristor GCT pendant l'extinction,

Dans la figure. La figure 5 montre la répartition des courants dans la structure du thyristor GCT pendant le tour-off appareil. Comme mentionné précédemment, l'incorporation de l'inclusion similaire thyristor GTO. Le processus d'arrêt est différent. Après le dépôt d'une impulsion de commande négative (-Ig) égale à la valeur d'amplitude du courant d'anode (Ia), tout le courant continu traversant le dispositif est déviée dans le système de commande et accueillant la cathode, en passant le passage j3 (entre les régions p et n). J3 de transition est décalée dans la direction opposée et le transistor NPN cathodique est fermé. Plus loin le GCT est à l'arrêt similaire de toute transistor bipolaire, qui ne nécessite aucun limites de vitesse externes augmenter la tension de l'avant du / dt, et par conséquent n'admet pas de chaîne amortisseur.

Les modifications apportées au GCT dû au fait que les processus dynamiques qui se produisent dans l'appareil lorsque vous éteignez, passez à l'une - deux ordres de grandeur plus rapide que la GTO. Ainsi, si le temps d'arrêt minimum et le blocage de l'État pour GTO 100 ms pour le GCT, cette valeur ne dépasse pas 10 ms. Le taux de croissance du courant pendant le tour-off GCT de contrôle est de 3000 A / ms, GTO - ne dépasse pas 40 A / ms.

Pour assurer un niveau élevé de commutation processus dynamiques ont changé la conception de l'électrode de commande de sortie et un dispositif de connexion avec un système de contrôle d'impulsion de mise en forme. La conclusion est circulaire, entourant le dispositif dans un cercle. L'anneau traverse le corps en céramique et le contact thyristor: une électrode de commande à l'intérieur des cellules à l'extérieur - avec une plaque de connexion de l'électrode de commande du conformateur d'impulsions.

Maintenant GTO produire quelques grandes entreprises au Japon et en Europe: «Toshiba», «Hitachi», «Mitsubishi», «ABB», «Eupec". Les paramètres des dispositifs de tension UDRM: 2500, 4500, 6000; ITGQM actuelle (maximum répétitif verrouillable en cours): 1000 A 2000 A et 2500 A et 3000 A et 4000 A et 6000 A.

GCT thyristors société de production "Mitsubishi" et "ABB". Les instruments sont conçus pour une tension de UDRM à 4500 V et le courant jusqu'à 4000 A. ITGQM

В настоящее время тиристоры GCT и GTO освоены 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. с диаметром кремниевой пластины до 125 мм и диапазоном напряжений UDRM 1200 - 6000 В и токов ITGQM 630 - 4000 А.

Параллельно с запираемыми тиристорами и для использования в комплекте с ними в ОАО "Электровыпрямитель" разработаны и освоены в серийном производстве быстровостанавливающиеся диоды для демпфирующих (снабберных) цепей и диоды обратного тока, а также мощный импульсный транзистор для выходных каскадов драйвера управления (система управления).

Тиристоры IGCT

Благодаря концепции жёсткого управления (тонкое регулирование легирующих профилей, мезатехнология, протонное и электронное облучение для создания специального распределения контролируемых рекомбинационных центров, технология так называемых прозрачных или тонких эмиттеров, применение буферного слоя в n - базовой области и др.) удалось добиться значительного улучшения характеристик GTO при выключении. Следующим крупным достижением в технологии жёстко управляемых GTO (HD GTO) с точки зрения прибора, управления и применения стала идея управляемых приборов базирующихся на новом "запираемом тиристоре с интегрированным блоком управления (драйвером)" (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)). Благодаря технологии жёсткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем, т.е. до физических возможностей кремния. Не требуется никаких защитных цепей от превышения du/dt. Сочетание с улучшенными показателями потерь мощности позволило найти новые области применения в килогерцовом диапазоне. Мощность, необходимая для управления, 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 для применения в диапазоне 0,5 - 6 МВ*А. При существующей технической возможности последовательного и параллельного соединения приборы IGCT позволяют наращивать уровень мощности до нескольких сотен мегавольт - ампер.

При интегрированном блоке управления катодный ток снижается до того, как анодное напряжение начинает увеличиваться. Это достигается за счёт очень низкой индуктивности цепи управляющего электрода, реализуемой за счёт коаксиального соединения управляющего электрода в сочетании с многослойной платой блока управления. В результате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока 4 кА/мкс. При напряжении управления UGK=20 В. когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходит в блок управления, который имеет в этот момент низкое сопротивление. За счёт этого потребление энергии блоком управления минимизируется.

Работая при "жёстком" управлении, тиристор переходит при запирании из pnpn состояния в pnp режим за 1 мкс. Выключение происходит полностью в транзисторном режиме, устраняя всякую возможность возникновения триггерного эффекта.

Уменьшение толщины прибора достигается за счёт использования буферного слоя на стороне анода. Буферный слой силовых полупроводников улучшает характеристики традиционных элементов за счёт снижения их толщины на 30% при том же прямом пробивном напряжении. Главное преймущество тонких элементов - улучшение технологических характеристик при низких статических и динамических потерях. Такой буферный слой в четырёхслойном приборе требует устранения анодных закороток, но при этом сохраняется эффективное освобождение электронов во время выключения. В новом приборе IGCT буферный слой комбинируется с прозрачным анодным эмиттером. Прозрачный анод - это pn переход с управляемой током эффективностью эмиттера.

Для максимальной помехоустойчивости 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 параметры рассеяния тепла, электрических и тепловых перегрузок. Поэтому, также существенно снижена стоимость блока управления и интенсивность отказов. IGCT, с его интегрированным управляющим блоком, легко фиксируется в модуле и точно соединяется с источником питания и источником управляющего сигнала через оптоволокно. Путём простого размыкания пружины, благодаря детально разработанной прижимной контактной системе, к IGCT прилагается правильно рассчитанное прижимное усилие, создающее электрический и тепловой контакт. Таким образом, достигается максимальное облегчение сборки и наибольшая надёжность. При работе IGCT без снаббера, обратный диод тоже должен работать без снаббера. Эти требования выполняет высокомощный диод в прижимном корпусе с улучшенными характеристиками, произведённый с использованием процесса облучения в сочетании с классическими процессами. Возможности по обеспечению di/dt определяются работой диода (см. рис. 6).

Dans la figure. 6. Упрощенная схема трёхфазного инвертора на IGCT

Le principal producteur de la société IGCT "ABB" Options thyristor tension U _DRM: 4500, 6000; ITGQM actuelle:. 3000 A et 4000 A.

Conclusion

Быстрое развитие в начале 90-х годов технологии силовых транзисторов привело к появлению нового класса приборов - биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Основными преимуществами IGBT являются высокие значения рабочей частоты, КПД, простота и компактность схем управления (вследствие малости тока управления).

Появление в последние годы IGBT с рабочим напряжением до 4500 В и способностью коммутировать токи до 1800 А привело к вытеснению запираемых 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 более высокие параметры по сравнению с IGBT транзисторами, сочетают в себе оптимальную комбинацию доказанных технологий тиристоров с присущими им низкими потерями, и бесснабберной, высокоэффективной технологией выключения путём воздействия на управляющий электрод. Прибор IGCT сегодня - идеальное решение для применения в области силовой электроники среднего и высокого напряжений.

Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом приведены в табл. A.

Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом