thyristors de puissance verrouillables modernes

introduction

Création 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 la formation de disques de silicium plus grande. En 1955, le dispositif contrôlé des semi-conducteurs a été créé, ayant une structure à quatre couches et connue sous le nom «SCR».

Il comprend la fourniture d'une impulsion sur l'électrode de commande avec une tension positive entre l'anode et la cathode. Mise hors tension du thyristor est fournie par la réduction circulant dans le courant continu à zéro, qui a développé un certain nombre de schémas de circuits de commutation inductive-capacitive. Ils ont non seulement augmentent le coût de preobrazovaelya, mais se dégradent également sa performance de poids et dans l'ensemble, de réduire la fiabilité.

Par conséquent, en même temps que la mise en place du thyristor a entrepris des recherches afin de s'assurer qu'elle est désactivée par l'électrode de commande. Le principal problème est de fournir une résorption rapide des porteurs de charge dans les zones de base.

La première de ces thyristors sont apparus en 1960 aux Etats-Unis. Ils ont été appelés Porte Turn Off (GTO). Dans notre pays, ils sont connus comme thyristors verrouillables ou hors.

Au milieu des années 90, il a été conçu thyristor verrouillable avec bague terminale de l'électrode de grille. Il a été nommé porte Commuté Thyristor (GCT) et est devenu un développement ultérieur de la GTO-technologie.

GTO Thyristor

dispositif

Blocable SCR - Dispositif à semi-conducteur entièrement contrôlables, basé sur la structure à quatre couches classique. Allumer et éteindre son offre d'impulsions de courant positives et négatives à l'électrode de commande. Fig. La figure 1 représente le symbole (a) et bloc-diagramme (b) du thyristor étant mis hors tension. Comme d'habitude, il a thyristor cathode de la K, l'anode A électrode de grille G. Les différences dans les structures des dispositifs est un agencement différent des couches horizontales et verticales à la conductivité p et n.

Fig. 1. thyristor verrouillable: Un symbole; b-bloc diagramme

Le plus grand dispositif de changement subi couche de cathode n. Il se décompose en plusieurs centaines de cellules unitaires sont uniformément réparties sur la surface et connectées en parallèle. Cet arrangement causé par le désir d'assurer une réduction uniforme du courant sur toute la surface de la structure semi-conductrice lorsque vous éteignez l'appareil.

La couche de base p, en dépit du fait que la seule pièce, a un grand nombre de contacts de l'électrode de grille (cathode nombre approximativement égal de cellules) est également répartie uniformément sur la surface et connectés en parallèle. La couche de base est constituée n similaire à la couche correspondante d'un thyristor classique.

La couche d'anode p a shunts (n), les zones de raccordement du contact de base n à l'anode par l'intermédiaire d'une petite résistance répartie. Anodiques thyristors de dérivation utilisés dans la capacité de blocage non inversée. Ils sont destinés à réduire le temps de l'instrument est mis hors tension en améliorant les conditions d'extraction des charges de la région de base n.

Tablette de base de thyristors GTO version avec une plaquette de silicium à quatre couches termokompensiruyuschie pris en sandwich par des disques de molybdène entre les deux bases de cuivre possédant des améliorée conductivité thermique et électrique. Etant donné que la plaquette de silicium est mis en contact l'électrode de commande ayant une sortie à un boîtier en céramique. les surfaces de contact du dispositif est serré entre les deux moitiés de glacières, isolées les unes des autres et ayant une structure définie par le type de système de refroidissement.

le principe de fonctionnement

Dans une série de travaux GTO sont quatre phases: l'incorporation, l'état conducteur, de commutation hors tension et état de blocage.

Dans la vue en coupe schématique de la structure de thyristor (fig. 1 b) de la structure d'anode terminale inférieure. La couche d'anode en contact avec le haut p.Zatem suit: une couche de base n, la couche de base est p (ayant une sortie d'électrode de commande), une couche de n, en contact direct avec la borne de cathode. Quatre couches forment trois jonction pn: j1 entre les couches de p et n; j2 entre les couches n et p; j3 entre les couches de p et n.

Phase 1 - inclusion. Aller structure de thyristor de l'état de blocage à la conduite (inclusion) est possible uniquement lorsque la tension directe est appliquée entre l'anode et la cathode. J1 et J3 transitions sont déplacées dans la direction vers l'avant et empêcher le passage des porteurs de charge. Tout tension est appliquée à la j2 moyen de transition, qui se déplace dans la direction opposée. A propos de la zone de transition j2 est formé, appauvri des porteurs de charge reçu région de charge d'espace signalétique. Pour activer le thyristor GTO, à l'électrode de commande, et la cathode sur la tension du circuit de commande est appliqué polarité positive _U G (sortie "+" à la couche de p). Par conséquent, le circuit de commutation de courant circule _I G.

thyristors verrouillables imposent des exigences strictes à la déclivité dIG / dt de l'avant et l'amplitude du courant de commande IGM. Après la transition j3, à l' exception du courant de fuite commence à couler courant de commutation _I G. Créé le courant, des électrons sont injectés à partir de la couche n dans la couche p. En outre, certains d'entre eux seront décalés d'un champ électrique dans la couche de base n j2 transition.

Simultanément, le compteur va augmenter l'injection de trous à partir de la couche p à la couche n et p dans la couche supplémentaire, à savoir il y aura une augmentation du courant créé par les porteurs minoritaires.

Le courant brut total par la j2 de transition de base, dépasse le courant d'appel, le thyristor est ouvert, après quoi les porteurs de charge sont libres de passer à travers l'ensemble de ses quatre régions.

Phase 2 - l'état conducteur. En mode direct, le flux de courant ne sont pas nécessaires pour contrôler le courant _I G, si le courant dans le circuit de l' anode est supérieur au courant de maintien. Cependant, dans la pratique, afin d'assurer que toutes les structures lorsqu'il est éteint thyristor constamment en état de conduction, doit toujours maintenir les procédures actuelles de la température. Ainsi, tout le temps et sur l'état conducteur du système de commande génère un courant d'impulsions de polarité positive.

Dans tous les domaines de l'état conducteur de la structure à semi-conducteurs fournit un mouvement uniforme des porteurs de charge (électrons de la cathode vers l'anode, le trou - dans le sens opposé). Par des transitions j1, j2 courant d'anode circule à travers le passage j3 - le courant d'anode totale et l'électrode de grille.

Phase 3 - off. Pour désactiver le thyristor GTO avec une polarité constante de la tension _U T (voir. Fig. 3) à l'électrode de commande, et la cathode de la tension du circuit de commande de polarité négative est appliquée l'UGR. Il est le flux de courant qui conduit à la résorption des porteurs de charge majoritaires (trous) dans la couche de base p. En d'autres termes, il existe une recombinaison de trous placés à la couche de la couche de base p n, des électrons et placés à la même couche de l'électrode de commande.

Avec la sortie de leur transition j2 base thyristor commence à verrouiller. Ce procédé se caractérise par une forte diminution du courant I _T thyristor directe dans un court laps de temps à une petite _TQT valeur I (voir. Fig. 2). Immédiatement après la clôture de la transition j2 j3 de transition de base commence à se fermer, mais au détriment de l'énergie stockée dans le circuit de commande d'inductance pendant un certain temps, il est dans un état semi-ouvert.

Fig. 2. Graphiques courant de changement d'anode (iT) et une électrode de commande (iG)

Après que toute l'énergie stockée dans le circuit de commande d'inductance est utilisée, la j3 de transition du côté de la cathode est complètement verrouillé. A partir de ce point, le courant à travers le thyristor est un courant de fuite qui circule de l'anode vers la cathode à travers le circuit de l'électrode de commande.

Le procédé de recombinaison et, par conséquent, hors thyristor blocable dépend de la raideur de dIGQ / dt de l'avant et à l'amplitude _I GQ courant inverse de contrôle. Fournir la pente et l'amplitude du courant nécessaire à la tension d'électrode de commande est nécessaire de soumettre le UG, ce qui ne devrait pas dépasser la valeur permise pour la j3 de transition.

Phase 4 - mode bloquant sostoyanie.V état de blocage à l'électrode de commande, et la tension de cathode reste polarité négative appliquée _U GR de l'unité de commande. D' après le circuit de commande de courant _I produit total GR constitué par le thyristor courant de fuite et d' inverser le courant de commande passant à travers le j3 de transition. j3 de transition est polarisée en inverse. Ainsi, le thyristor GTO se trouve dans l'état de blocage vers l'avant, deux transitions (J2 et J3) sont décalées dans la direction opposée, et deux sont formées par la zone de charge d'espace.

Tout le temps de repos et de l'état du système de commande de verrouillage génère une impulsion de polarité négative.

Le circuit de protection

Utilisation de thyristors GTO, nécessite des circuits de protection spéciale. Ils augmentent les chiffres de poids et de taille, le coût du convertisseur, et nécessitent parfois des dispositifs de refroidissement supplémentaires sont cependant nécessaires pour le fonctionnement normal de l'appareil.

Affecter un circuit de protection - en limitant la vitesse de montée de l'une des deux options d'alimentation électrique pour le dispositif de commutation à semi-conducteur. Cette protection des condensateurs du circuit CB (Fig. 3) sont connectés en parallèle protège T. dispositif Ils limitent la vitesse de montée de la tension directe Dut / dt lorsque vous éteignez le thyristor.

LE étranglements monté en série avec T. dispositif Ils limitent la vitesse de montée du courant direct VID / dt lorsque le thyristor. Valeurs Dut / dt et VID / dt pour chaque appareil sont normalisées, ils pointent vers des références et des données de passeport sur les appareils.

Fig. 3. Circuit de protection de circuit

En outre des condensateurs et des inductances, d'utiliser des éléments de circuit de protection supplémentaires fournissant charge et de décharge des éléments réactifs. Ceux-ci comprennent: diode DB qui shunte la résistance RB lorsque vous éteignez le thyristor T et la charge du condensateur CB, une résistance RB, CB limiteur de courant de décharge du condensateur lorsque le T. thyristor

système de contrôle

Le système de commande (CS) comprend les blocs fonctionnels suivants: comprenant le circuit constitué par le circuit générateur d'impulsions et une source de signal de porte pour maintenir l'état ouvert du thyristor; signal de circuit de formation d'obturation; maintenir le contour du thyristor à l'état fermé.

Tous les types de SU besoin de tous ces blocs, mais les contours de la formation de déverrouillage et d'impulsion de verrouillage doit contenir chaque SU. Il est nécessaire de prévoir un circuit de commande de puissance à isolation galvanique et le circuit à thyristor quand il est éteint.

Pour contrôler le fonctionnement lorsqu'il est éteint thyristor utilisé deux principaux SU, différant signal aux moyens d'électrodes de commande. Dans le cas représenté sur la Fig. 4, les signaux générés par l'unité logique St, l'isolation électrique exposée (des potentiels de séparation), puis ont fait leur alimentation à travers les commutateurs SA et SE sur l'électrode de grille lorsqu'il est éteint thyristor T. Dans le second cas, les signaux sur les clés du premier choc SE (inclusions) et SA (Off ) dans le même potentiel que la SS, puis à travers l'isolateur galvanique UE et UA fournie à l'électrode de commande.

En fonction de l'emplacement des touches SE et SA distinguent faible potentiel (NPSU) et à fort potentiel (Vepsu, Fig. 4) circuit de commande.

Fig. Gestion de la chaîne 4. Option

Système de contrôle NPSU structurellement plus simple que Vepsu, mais sa capacité est limitée en ce qui concerne les signaux de commande de génération de longue durée dans le mode de fonctionnement circule à travers le mode de courant continu à thyristors, mais aussi pour fournir la raideur des impulsions de commande. Pour la formation de signaux de longue durée, il est nécessaire d'utiliser le circuit push-pull plus cher.

Dans Vepsu transconductance élevée et la durée accrue du signal de commande est obtenu plus facile. En outre, le signal de commande est entièrement utilisée, alors que dans le dispositif de séparation d'amplitude limitée NPSU potentiel (par exemple un transformateur d'impulsions).

Le signal d'information - la commande pour activer ou désactiver - sont généralement introduit dans le circuit via un transducteur optoélectronique.

GCT Thyristor

Au milieu d'un nouveau type de thyristor Porte Commuté Thyristor (GCT) a été développé 90s entreprises "ABB" et "Mitsubishi". En effet, GCT est une amélioration supplémentaire de la GTO ou sa modernisation. Cependant, fondamentalement nouvelle conception de l'électrode de grille, ainsi que sensiblement différents processus qui se produisent lorsque vous éteignez l'appareil, faire approprié avant.

GCT a été développé comme un dispositif dépourvu des inconvénients spécifiques à la GTO, alors vous devez d'abord arrêter sur les problèmes rencontrés lors de l'utilisation GTO.

Le principal inconvénient de GTO est des pertes d'énergie dans les grands circuits de protection de l'appareil lors du changement. Augmenter les pertes de fréquence augmente, de sorte que dans la pratique, les thyristors GTO sont commutés à une fréquence de pas plus de 250 à 300 Hz. Les principales pertes se produisent dans une résistance RB (voir. Fig. 3) est désactivé lorsque le thyristor T et, par conséquent, la décharge de la capacité CB.

Capacitor CB est conçu pour limiter la vitesse de montée de la tension directe du / dt lors de la coupure du dispositif. Avoir thyristor est pas sensible à l'effet du / dt, a créé une occasion d'abandonner l'amortisseur (circuit de commutation de chemin de la formation), qui a été mis en œuvre dans la conception GCT.

Gestion des fonctionnalités et le design

La principale caractéristique du thyristor GCT, en comparaison avec les dispositifs de GTO, un turn-off rapide, ce qui est réalisé par une approche de gestion du changement et l'amélioration de la conception du dispositif. arrêt rapide est réalisé par la conversion de la structure de thyristor dans un transistor lorsque l'appareil est verrouillé, ce qui rend le dispositif est pas sensible à la du / dt effet.

phases GCT à son tour mener et de blocage des états aussi contrôlés comme GTO. Lorsque vous désactivez le contrôle de GCT a deux caractéristiques:

• Contrôle de courant Ig est égal ou supérieur au courant d'anode Ia (pour thyristor GTO Ig moins 3 - 5 fois);
• l'électrode de grille a une faible inductance, ce qui permet une vitesse de balayage dig / dt courant égal à 3000 A / ms ou plus conduire (pour une valeur de thyristors GTO dig / dt est 30-40 A / ms).

Fig. 5. La distribution du courant dans la structure de thyristor GCT à l'arrêt

Fig. La figure 5 montre la répartition des courants dans la structure du thyristor GCT lorsque vous éteignez l'appareil. Comme mentionné précédemment, le processus d'inclusion est similaire aux thyristors GTO. processus d'arrêt est différent. Après avoir fourni une impulsion négative de commande (-Ig) égale à la valeur d'amplitude du courant d'anode (la), tout le courant continu circulant à travers le dispositif est dévié dans le système de commande et atteint la cathode, faire passer le j3 de transition (régions entre p et n). j3 de transition est polarisée en inverse et le transistor NPN cathode est fermé. Plus loin GCT arrêt similaire vers le bas tout transistor bipolaire qui ne nécessite pas de limite de vitesse avant élévation de tension externe du / dt et permet donc pas de chaîne d'amortissement.

Modification de la construction GCT en raison du fait que les processus dynamiques qui se produisent dans le dispositif au turn-off, procéder à une - deux ordres de grandeur plus rapide que la GTO. Par exemple, si le temps d'arrêt minimum et un état de blocage pour la GTO est de 100 microsecondes, pour GCT, cette valeur ne dépasse pas 10 microsecondes. le taux du courant de contrôle de la croissance est éteint à GCT est de 3000 A / microseconde, GTO - ne dépasse pas 40 A / s.

Pour assurer la dynamique élevée du processus de commutation, une modification des caractéristiques de la sortie de l'électrode de grille et la connexion du dispositif avec une commande de générateur d'impulsions du système. La conclusion est faite annulaire, dispositif de zoster circonférentiellement. La bague passe à travers le corps en céramique et le thyristor en contact: au sein d'une électrode de grille de la cellule; à l'extérieur - avec la plaque qui relie l'électrode de commande du générateur d'impulsions.

Maintenant thyristors GTO produites plusieurs grandes entreprises japonaises et l'Europe: "Toshiba", "Hitachi", "Mitsubishi", "ABB", "Eupec". Appareil Paramètres Tension UDRM: 2500, 4500, 6000; ITGQM Current (courant maximum répétitif verrouillable): 1000 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A, 6000 A

thyristors GCT fabriqués par "Mitsubishi" et "ABB". Les unités sont conçues pour la tension jusqu'à 4500 UDRM ITGQM et courant jusqu'à 4000 A.

Actuellement, GCT et GTO thyristors utilisés dans la société russe OAO "Elektrovypryamitel" (Saransk) .Vypuskayutsya thyristors Série TK-243, TK-253, TK-273, 173-sin a, le péché a-193, ZTF-193 (similaire au GCT ) et d'autres avec un diamètre d'une plaquette de silicium à 125 mm et 1200 plage de tension de UDRM. - 6000 V et les courants ITGQM 630-4000 A.

Avec thyristors verrouillables pour une utilisation dans le kit avec eux à JSC "Elektrovypryamitel" développé et mis en production de masse bystrovostanavlivayuschiesya diodes d'amortissement (amortisseurs) circuits et inverser diodes actuelles et de haute puissance transistor pulsée pour commander les étages de sortie du pilote (système de commande).

Thyristors IGCT

Merci aux concepts de contrôle durs (contrôle précis des profils de dopage mezatehnologiya, proton et irradiation électronique pour la mise en place d'une distribution spéciale de centres de recombinaison contrôlés, la technologie de la soi-disant émetteurs transparents ou minces, l'utilisation de la couche tampon dans le n -. La région de base, et d'autres) ont obtenu une amélioration significative des caractéristiques de GTO lorsqu'il est éteint. La prochaine avancée majeure dans la technologie GTO étroitement contrôlé (HD GTO) à partir du point de vue, la gestion et l'application appareil était l'idée de périphériques gérés sur la base du nouveau "thyristor verrouillé avec une unité de commande intégrée (pilote)" (eng. Integrated Gate-Commuté Thyristor (IGCT)) . Merci à la technologie de contrôle dur passer même augmente la zone de fonctionnement sûr IGCT jusqu'à la limite de claquage par avalanche limitée, à savoir, aux capacités physiques de silicium. Il n'a pas besoin de circuits de protection contre les excès du / dt. La combinaison avec une meilleure perte de puissance a permis de trouver de nouvelles applications dans la gamme des kilohertz. La puissance nécessaire pour la gestion a diminué de 5 fois par rapport à la norme de la GTO, principalement en raison d'une structure d'anode transparente. La nouvelle famille d'instruments de IGCT, avec diode haute puissance intégré monolithique a été développé pour une utilisation dans une gamme de 0,5 à 6 MW * A. Avec les capacités techniques actuelles de connexions série et parallèle IGCT dispositifs permettent d'augmenter le niveau maximum de puissance à plusieurs centaines de mégavolts - Ampères.

Quand la cathode intégrée unité de commande de courant est réduite avant que la tension d'anode commence à augmenter. Ceci est réalisé par une très faible circuit d'électrode de commande de l'inductance, mis en oeuvre au détriment de la liaison coaxiale de l'électrode de commande en combinaison avec une carte multicouche de l'unité de commande. En conséquence, il est devenu possible d'atteindre des valeurs lorsqu'il est éteint le taux actuel de 4 kA / ms. Lorsque la tension de commande UGK = 20 V lorsque le courant de cathode devient égale à zéro, le courant d'anode restante passe à l'unité de commande, qui présente à ce moment une faible résistance. Pour cette raison, la consommation d'énergie est réduite par l'unité de commande.

Travailler avec le contrôle "dur", les commutateurs à thyristors pour le verrouillage de l'état pnpn en mode pnp pour 1 microseconde. Eteindre se déroule entièrement en mode transistor, ce qui élimine toute possibilité d'un effet déclencheur.

Réduire l'épaisseur du dispositif est obtenu grâce à l'utilisation d'une couche tampon du côté de l'anode. La couche tampon améliore les caractéristiques des semi-conducteurs de puissance des éléments traditionnels en réduisant leur épaisseur de 30% pendant la même tension de claquage en avant. Principaux avantages d'éléments minces - des caractéristiques améliorées de traitement à des pertes statiques et dynamiques faibles. Une telle couche tampon en quatre unités exige le retrait de l'anode court-circuit, mais tout en maintenant la libération efficace des électrons au moment de l'arrêt. La nouvelle couche tampon IGCT de dispositif associé à un émetteur d'anode transparente. anode transparente - une jonction pn avec l'efficacité de l'émetteur de courant commandé.

Pour l'immunité au bruit maximal et l'unité de commande compacte entoure le IGCT, formant une structure unique avec un refroidisseur, et ne contient que la partie du circuit, qui est nécessaire pour contrôler directement IGCT. Par conséquent, il réduit le nombre d'éléments de l'unité de commande, des paramètres de dissipation thermique, électrique et réduit les surcharges thermiques. Par conséquent, réduit également de manière significative le coût de l'unité de commande et le taux d'échec. IGCT, intégré avec son unité de commande est fixée dans le module est relié facilement et avec précision à la source d'alimentation et la source du signal de commande par l'intermédiaire d'une fibre optique. En ouvrant simplement le ressort, grâce à un système complexe de pression de contact IGCT appliquées correctement calculées force de serrage, ce qui crée un contact électrique et thermique. Ainsi, l'ensemble atteint le relief maximum et la plus grande fiabilité. Lorsque vous travaillez sans IGCT amortisseur, la diode de roue libre doit également fonctionner sans l'amortisseur. Ces exigences sont remplies par la diode haute puissance dans le boîtier de pression avec une amélioration des performances qui est produite en utilisant le procédé d'irradiation en combinaison avec des procédés classiques. Les occasions de fournir di / dt déterminé par le fonctionnement de la diode (voir. Fig. 6).

Fig. 6. Schéma simplifié d'un onduleur IGCT triphasé

Le principal producteur de la société de IGCT tension de thyristor "ABB" .Parametry _U DRM: 4500, 6000; ITGQM Courant: 3000 A, 4000 A

conclusion

Le développement rapide des transistors de puissance de la technologie au début des années 90 a conduit à l'émergence d'une nouvelle classe de dispositifs - à grille isolée transistor bipolaire (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Les principaux avantages sont les valeurs élevées de la fréquence de fonctionnement IGBT, l'efficacité, la simplicité et la compacité des circuits de commande (en raison du courant de commande est faible).

L'apparition de IGBT au cours des dernières années, avec une tension de fonctionnement jusqu'à 4500 V et la capacité de commuter des courants jusqu'à 1800 A conduit à l'éviction verrouillé thyristor (GTO) dans des dispositifs de jusqu'à 1 MW et des tensions jusqu'à 3,5 kV.

Cependant, les nouveaux dispositifs du IGCT, capables de fonctionner avec une fréquence de commutation de 500 Hz à 2 kHz et ayant des réglages plus élevés par rapport aux transistors IGBT, combinent la combinaison optimale de technologies éprouvées thyristors avec une faible perte, et bessnabbernoy, haut sur la technologie inhérente par l'exposition à l'électrode de commande. IGCT Device aujourd'hui - idéal pour une utilisation dans l'électronique de puissance, moyennes et hautes tensions.

Caractéristiques des clés de sécurité puissantes d'aujourd'hui avec double dissipateur thermique indiqué dans le tableau. 1.

Tableau 1. Caractéristiques des clés de sécurité puissantes d'aujourd'hui avec double dissipateur de chaleur