Вентили с полным управлением

 

На первом этапе развития силовой электроники для создания вентилей с полным управлением, т.е. с управляемым включением и выключением, использовались однооперационные тиристоры. Из вышеизложенного в разделе 1.2  ясно, что управляемое выключение однооперационного тиристора, т.е. выключение при наличии на нём прямого напряжения,  возможно путём искусственного прерывания протекающего через тиристор прямого тока. Для реализации этой возможности было разработано множество схем индуктивно-ёмкостных контуров коммутации. Эти дополнительные устройства увеличивали стоимость вентиля, ухудшали его массо-габаритные показатели, снижали надёжность. Поэтому во второй половине пятидесятых годов одновременно с разработкой более мощных однооперационных тиристоров начались исследования возможности выключения прибора по управляющему электроду. К 1960 г. была решена главная проблема создания тиристоров с полным управлением - обеспечение быстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях.

GTO – тиристоры.

Первые тиристоры с полным управлением появились в 1961 г. в США. Они получили название GTO (Gate Turn Off). Эти тиристоры отличаются от обычных однооперационных тиристоров тем, что их можно запереть за счет подачи короткого, но мощного импульса обратной полярности в цепь управляющего электрода. На рис. 1.5 приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) GTO -тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод K, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоёв с n - и р -проводимостями. Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры. Базовый слой p, несмотря на то, что он выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора. Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n -базу с анодным контактом через небольшие распределённые сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.

                      а)                                                             б)                                                                    

Рис. 1.5. GTO-тиристор:

а)- условное обозначение; б)- структурная схема

    

Основное исполнение GTO -тиристоров таблеточное с четырёхслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.

В цикле работы GTO -тиристора различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние (рис. 1.6).

Фаза 1 - включение. Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом

Фаза 2 - проводящее состояние. В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе управления, если ток в цепи анода превышает величину тока удержания. Однако на практике для того, чтобы все структуры выключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, всё же необходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурного режима. Таким образом, всё время включения и проводящего состояния система управления формирует импульс тока положительной полярности.

Фаза 3 - выключение. Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведёт к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое p. Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой p из базового слоя n, и электронов, поступивших в этот же слой по управляющему электроду. По мере освобождения от них базового перехода тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока IТ тиристора за короткий промежуток времени до небольшого значения тока утечки, который протекает от анода к катоду через цепь управляющего электрода  (см. рис. 1.6).

Рис. 1.6. Графики изменения тока анода (iT) и управляющего электрода (iG)

   

Фаза 4 - блокирующее состояние. В режиме блокирующего состояния к управляющему электроду и катоду остаётся приложенным напряжение отрицательной полярности от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток, состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления. Всё время выключения и блокирующего состояния система управления формирует импульс отрицательной полярности.   

  Основной недостаток GTO – тиристоров заключается в больших потерях энергии в защитных цепях прибора при его коммутации. Защитные цепи (снабберы) необходимы для ограничения скорости нарастания прямого напряжения (эффект du/dt) при выключении прибора. Повышение частоты коммутации увеличивает названные потери, поэтому на практике GTO -тиристоры коммутируются с частотой не более 250-300 Гц, что существенно ограничивает сферу их применения.

Дальнейшие исследования были направлены на создание тиристоров не чувствительных к эффекту du/dt,  т.е. тиристоров, позволяющих отказаться от снабберной цепи. Это было реализовано в конструкции GCT.                                      

  GCT - тиристоры.

 В результате модификации GTO – тиристоров в середине 90-х годов фирмами "ABB" и "Mitsubishi" был разработан новый тип тиристоров с полным управлением.  Он получил название Gate Commutated Thyristor (GCT). Это запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода, через который коммутируется весь ток управления. Принципиально новая конструкция управляющего электрода позволила почти на порядок сократить время коммутации и коммутационные потери.

Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение, которое достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, что делает прибор не чувствительным к эффекту du/dt.

  GCT в фазах включения, проводящего и блокирующего состояния управляется также,  как и GTO. При выключении управление GCT имеет две особенности:

· ток управления I_g равен или превосходит анодный ток I_a (для тиристоров GTO I_g меньше в 3 - 5 раз);

· управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления di_g/dt, равной 3000 А/мкс и более (для тиристоров GTO значение di_g/dt составляет 30-40 А/мкс).

На рис. 1.7 показано распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении прибора. Как указывалось, процесс включения подобен включению тиристоров GTO. Процесс выключения отличен. После подачи отрицательного импульса управления (-Ig) равного по амплитуде величине анодного тока (Ia), весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход j3 (между областями p и n). Переход j3 смещается в обратном направлении, и катодный транзистор npn закрывается. Дальнейшее выключение GCT аналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнего ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt и, следовательно, допускает отсутствие снабберной цепочки.

 

                                                     

                   Рис. 1.7. Распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении

  

Изменение конструкции GCT связано 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 GTO составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления при выключении GCT составляет 3000 А/мкс, GTO - не превышает 40 А/мкс. Чтобы обеспечить высокую динамику коммутационных процессов, изменили конструкцию вывода управляющего электрода и соединение прибора с формирователем импульсов системы управления. Вывод выполнен кольцевым, опоясывающим прибор по окружности. Кольцо проходит сквозь керамический корпус тиристора и контактирует: внутри с ячейками управляющего электрода; снаружи - с пластиной, соединяющей управляющий электрод с формирователем импульсов.

Сейчас тиристоры GTO производят 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 GCT выпускают фирмы "Mitsubishi" и "ABB". Приборы рассчитаны на напряжение UDRM до 4500 В и ток ITGQM до 4000 А.

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.

  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 МВА. При существующей технической возможности последовательного и параллельного соединения приборы IGCT позволяют наращивать уровень мощности до нескольких сотен мегавольт - ампер.