Site Loader
Posted on 24.02.2023

1.4.5. Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры являются одними из последних разработок в процессе конструирования и производства силовых электронных ключей.

Запираемый тиристор (gate turn off thyristor— GТО) — тиристор, который может быть переключен из открытого состояния в закрытое и, наоборот, открыт путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Для выключения запираемых тиристоров (ЗТ) достаточно подать на его управляющий электрод импульс тока отрицательной полярности. Четырехслойные структуры типа р-п-р-п запираемого и обычного тиристоров подобны. Это четырехслойные полупроводниковые приборы с тремя силовыми выводами. Требования к их конструктивному исполнению различны. Более того, реализация процесса эффектив­ного запирания ЗТ потребовала более сложной технологии их производства. Поэ­тому долгое время они не применялись, так как коммутируемая ими мощность была существенно меньше по сравнению с мощностью, коммутируемой традици­онными тиристорами.

В настоящее время запираемые тиристоры являются одними из наиболее мощных электронных, полностью управляемых ключей. Наиболее существенным изменением в конструкции современных ЗТ по срав­нению с тиристорами стало изменение катодных эмиттеров, в основу которой было положено максимальное увеличение поверхности протекания электронно-дырочной плазмы от управляющего электрода к катоду при одновременном сокра­щении путей ее протекания. Это достигнуто созданием сильноразветвленного катода, выполненного из большого числа сегментов, расположенных в виде кон­центрических окружностей, имеющих общий контакт с управляющим электро­дом. Сегмент катода обычно имеет длину 2—3 мм, а ширину 100—300 мкм. При выключении ЗТ быстрое увеличение запирающего тока управляющего электрода приводит к быстрому уменьшению тока катода и выключению ЗТ.

В настоящее время существуют три группы модификаций GТО, блокирующие обратное напряжение: симметричные ЗТ, способные блокировать равные прямое и обратное напряжение; асимметричные ЗТ, не выдерживающие обратное напряжение; обратно проводящие ЗТ, проводящие ток в обратном направлении, так как в них входят быстродействующие диоды.

Для повышения отключающей способности и минимизации емкостей у цепей формирования траектории переключения вплоть до их полного исключения был создан прибор с использованием драйвера малой индуктивности, называемый

тиристор, коммутируемый по управлению (gate commutated thyristor — GСТ). Полный ключ, объединяющий GСТ и элементы драйвера очень низкой индуктив­ности, называется коммутируемым тиристором с интегрированным управлением (integrated date commutated thyristor — IGCT). Главное различие между GТО (ЗТ) и тиристорами GСТ и IGCT заключается в переводе полного анодного тока с катода на управляющий электрод за очень короткое время. Пре­имуществом такого принципа выключения GTO и IGCT является существенное повышение их быстродействия. Кроме того, становится возможным осуществить коммутацию без ЦФТП (в современной технической литературе используется термин «коммутация без снаббера» или «безснабберная коммутация»).

Максимальное значение отрицательного тока выключения рассчитыва­ется из наиболее тяжелых условий коммутации. Оно соизмеримо с выключаемым током и составляет примерно 30 % максимально допустимого значения запирае­мого тока. Например, для GТО SSGA30I 4502 фирмы АВВ при максимальном токе 3000 А ток составляет примерно 600—800 А в зависимости от параметров снаббера. Однако энергия выключения за один импульс

Eвыкл незначительна и составляет 18—24 Дж за один импульс [6].

Оптотиристоры (LTT), запираемые тиристоры (GTO) и ком­мутируемые по затвору запираемые тиристоры (GCT, IGCT) являются производными тиристорных техноло­гий и находят применение в мегаваттном диапазоне мощностей. В настоя­щее время для LTT достигнуты пре­дельные параметры 8 кВ/4 кА, для GCT — 4,5 кВ. К 2014 году планирует­ся производство GCT на 11кВ. Будет развиваться и совершенствоваться технология IGCT — объединение на одной пла­стине GCT с обратным диодом в таб­леточных корпусах с плавающими прижимными контактами, конструк­тивно объединённых с платой управ­ления (драйвером). В будущем класс тиристоров все же будет частично за­менён и, возможно, полностью вытес­нен высоковольтными IGBT.

Тиристо­ры в комбинации с MOSFET-структурами, такие как MCT, MTO и EST, всё же не нашли широкого применения. В настоящее время они нашли частичное применение в схемах с мяг­кой коммутацией.

В приборах типов GСТ и IGCT отрицательный ток выключения очень быстро достигает значений анодного тока. Поэтому они относятся к приборам с коэффи­циентом усиления по выключению, равным единице, а также к категории запирае­мых тиристоров с «жестким» выключением.

В настоящее время созданы запираемые тиристоры с максимальными значени­ями напряжения до 6 кВ и тока до 6 кА. Различные модификации запираемых тиристоров GСТ могут успешно исполь­зоваться для последовательного соединения или без снабберной работы.

Тиристоры, в которых МОП- транзисторы участвуют в выключении, называются МОП- управляемыми тиристорами (МСТ). Эти тиристоры являются интегральными приборами, которые состоят из десятков тысяч ячеек, имеющих электрические связи. Соотношение числа тиристорных ячеек и подключенных к ним МОП- транзисторов зависит от модификации исполнения МСТ.

На рис. 1.31 представлена эквивалентная схема одной из модификаций МСТ.

Схема Р-МСТ состоит из биполярных транзисторов VT1 и VТ2, соединенных

по схеме, эквивалентной одно операционному тиристору, и двух полевых транзисто­ров (ПТ). Полевой транзистор p-канального типа работает на включение, ну а n-канального типа — на выключение. Согласно эквивалентной схеме полевые транзисторы обеспечивают регенеративные процессы переключения тирис­тора за счет обратных связей с биполярными структурами. Включение Р-МСТ осу­ществляется подачей отрицательного относительно анода импульса напряжения на управляющий электрод G при наличии прямого напряжения и

АСF, приложен­ного к Р-МСТ. При этом происходит включение МОП- транзистора ПТвкл., который отпирает транзистор VT1, что вызывает включение транзистора VТ2 в режиме регенерации, как в одно операционном тиристоре. В результате Р-МСТ переходит в проводящее состояние, которое сохраняется после снятия импульса управления.

а б

Рис. 1.31. МОП- управляемый тиристор (Р-МСТ):

а — эквивалентная схема; б — обозначение

Выключение Р-МСТ осуществляется подачей положительного импульса на управляющий электрод относительно анода, что приводит к включению транзис­тора ПТвкл. и разрыву его обратной связи с транзистором VT1 (коллектор VT2 — база VТ1). В результате происходит выключение схемы Р-МСТ.

Вопросы для самоконтроля

  1. Объясните принцип работы тиристора с помощью двухтранзисторной модели. В чем заключается положительная обратная связь?

  2. Почему отсутствие тока управляющего электрода не приводит к выключению тиристора?

  3. Какое прямое напряжение может выдержать тиристор при отсутствии импульса управления?

  4. Какими кривыми входной ВАХ ограничен импульс управления тиристором?

5. Какие условия необходимо создать для отпирания тиристора?

GTO-тиристоры

GTO-тиристоры

ЗАПИРАЕМЫЕ ТИРИСТОРЫ (GTO)

1. Основные особенности:
Особенностями запираемых тиристоров являются:
низкие статические и коммутационные потери;
кольцевой управляющий электрод;
металлокерамические корпуса, соответствующие требованиям МЭК и аналогичных приборов ведущих зарубежных фирм;
полностью прижимные контакты для тиристоров большой площади.
2. Область применения:
Преобразователи для электроподвижного состава железных дорог:
импульсные регуляторы преобразователей собственных нужд и инверторы тяговых преобразователей;
импульсный регулятор напряжения для электровоза ЭП-100;
преобразователи мощностью до 5 МВт с высоковольтным звеном постоянного тока и др.
Мощные преобразователи для электроприводов асинхронных электродвигателей предприятий металлургической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей, газовой, угольной и химической промышленности, объекты жилищного и коммунального хозяйства.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Тип

VDRM,

VRRM,

В

ITQRM,

A

ITSM,

А

di/dt,

А/мкс

dv/dt,

В/мкс

VTM,

В

IDRM,

IRRM,

мА

tgq,

мкс

VGT/IG(ON),

В/А

IGQM, A

Rthjc,

°С/Вт

Tj max,

°C

Рис

ТЗ 243-630

1200 - 2000

630

3500

250

500

3. 2

70

12; 16

1.5 / 3

230

0.053

125

1.1

ТЗ 243-800

1200 - 2000

800

4000

250

500

3.0

70

16; 20

1. 5 / 3

270

0.053

125

1.1

ТЗ 253-1000

1200 - 2400

1000

6000

250

500

3.5

100

16; 20

1.5 / 5

300

0.025

125

1. 2

ТЗ 253-1250*

1200 - 2400

1250

7000

250

500

3.3

100

20; 25

1.5 / 5

350

0.025

125

1.2

ТЗ 273-2000*

2400 - 5000

2000

13000

250

500

4. 8

100

25; 32

1.5 / 8

600

0.018

125

1.3

ТЗ 273-2500*

2400 - 4500

2500

14000

250

500

4.5

100

32

1. 5 / 8

650

0.018

125

1.3


ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ

Тип

 

OSi

VDRM,

В

VRRM,

В

ITQRM,

A

IRC(AV),

А

CS,

m F

LS,

m H

Особенности

Срок освоения

ТЗ 173-2000

76

5000

5000

2000

—

3

0. 25

Специально для ЭП-100

I/1999

ТЗА 173-3000

76

4500

20

300

—

3,5

0.2

  

1999

ТЗД 193-3000

100

4500

—

3000

630

3

0. 2

встроенный диод обратного тока

2000

ТЗА 193-3000*

100

6000

20

4000

—

3

0.25

  

2000

ТЗФ 193-3000*

100

4500

20

3000

—

Без емкости

—

Объединен в одно устройство с блоком управления. Может работать без снаббера

2000


РЕКОМЕНДУЕМЫЕ КОМПЛЕКТНЫЕ ДИОДЫ

Комплектующие

элементы

Тип запираемого тиристора

 

ТЗ 243-630

ТЗ 243-800

ТЗ 253-1000

ТЗ 253-1250

ТЗ 273-2000

ТЗ 273-2500

Демпфирующий диод

ДЧ 141-63

ДЧ 141-80

ДЧ 323-200

Диод обратного тока

ДЧ 323-250

ДЧ 333-400

ДЧ 353-800

Транзисторный модуль для выходного каскада блока управления

 

МТКД-50

(1 шт. )

 

МТКД-50

(1 шт.)

МТКД-50

(2 шт.,

паралл. соединен.)


ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

Обозначение

Symbol

Термины

Terms

Vrrm

 Повторяющееся импульсное обратное напряжение Repetitive peak reverse voltage

Vdrm

 Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии Repetitive peak off-state voltage

itqrm

 Максимально допустимый повторяющийся запираемый ток Max. repetitive turn-off current

itsm

 Ударный ток в открытом состоянии Surge on-state current

Tj

 Температура перехода Effective equivalent junction temperature

Vtm

 Импульсное напряжение в открытом состоянии Peak on-state voltage

ig(on)

 Минимальный поддерживающий ток управления Min. on-state gate current

Vgt

 Отпирающее постоянное напряжение управления Gate trigger direct voltage

tgq

 Время выключения по управляющему электроду Gate controlled turn-of time

igqm

 Запирающий импульсный ток управления Peak gate turn-off current

Vrgm

 Обратное импульсное напряжение управления Peak reverse gate voltage

(dV/dt)crit

 Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии Critical rate of rise of off-state voltage

(di/dt)crit

 Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии Critical rate of rise of on-state current

Rthjc

 Тепловое сопротивление переход-корпус Thermal junction-to-case resistance

© 2000 All rights reserved. Designed by Alex Stepanchuk


Что такое ГТО? Типы, конструкция, работа и применение

Тиристор представляет собой однонаправленный полупроводниковый переключатель, который проводит большой ток во включенном состоянии и блокирует высокие напряжения в выключенном состоянии. Он имеет три вывода: затвор (G), катод (K) и анод (A). Клеммы катода и анода используются для проведения основного тока, в то время как клемма затвора переключает состояние тиристора. Это полууправляемый переключатель, который можно включить, подав положительный ток затвора, но он не может быть выключен тем же затвором. Основной ток должен быть прерван для выключения тиристора с помощью схемы коммутации. Для решения этой проблемы разработан GTO.

GTO или тиристор с выключением затвора — это тип тиристора, который обеспечивает полный контроль над переключением, т. е. его можно включать и выключать с помощью одной и той же клеммы затвора. GTO имеет много общего с обычным тиристором.

  • Связанный пост: IGBT — типы, конструкция, работа и применение

Содержание

Что такое GTO?

GTO (также известное как Gate Turn Off) представляет собой полупроводниковое полностью управляемое однонаправленное переключающее устройство (тиристор), имеющее 3 вывода Gate , Катод и Анод . Его можно включить/выключить с помощью терминала ворот.

Положительный импульс тока на затворе включает GTO, а отрицательный импульс тока на затворе выключает его. Он однонаправленный, поэтому пропускает ток только от анода к катоду.

Как и обычный тиристор, его можно переключить в режим проводимости с помощью положительного импульса тока на затворе. Имеет низкое падение напряжения во включенном состоянии. Однако ток выключения, требуемый на затворе, относительно высок. Импульс отрицательного тока на затворе составляет почти четверть тока анода.

Связанный пост:

  • DIAC — конструкция, работа и применение
  • TRIAC – конструкция, работа и применение

Структура GTO

GTO представляет собой четырехслойное устройство PNPN, имеющее 3 PN-перехода и 3 клеммы: затвор (G), анод (A) и катод (C).

Анод представляет собой металлический электрод, прикрепленный к сильно легированной области P+. Легирование поддерживается на высоком уровне для поддержания высокой эффективности анода. Сильное легирование уменьшает время включения, но также увеличивает время выключения с потерей мощности. Чтобы избежать этой проблемы, в область анода добавляют N+ областей, известную как структура с коротким замыканием анода. Это уменьшает блокировку обратного напряжения с лучшим временем выключения. Поэтому короткое замыкание анода проектируется исходя из требуемой производительности.

Поверх анодной области добавлена ​​базовая область N-типа, образующая PN-переход J1, где легирование и ширина этой области определяют допустимое напряжение прямой блокировки устройства. Низкий уровень легирования и увеличенная ширина этого слоя увеличивают прямое блокирующее напряжение GTO.

Область затвора P-типа добавляется поверх базового слоя N, образуя соединение 2 и j2. Эта область не является ни сильно, ни слабо легированной по указанным причинам. Сильное легирование области затвора приводит к лучшему времени выключения, а легкое легирование увеличивает эффективность эмиттера из катодной области. Вот почему область затвора P умеренно легирована.

Катод прикреплен к сильно легированному слою N+. Он сильно легирован, чтобы иметь более высокую эффективность эмиттера, но за счет снижения напряжения пробоя.

  • Запись по теме: В чем разница между DIAC и TRIAC?

Принцип работы GTO

GTO работает как обычный тиристор, за исключением возможности отключения.

Механизм включения

GTO имеет ту же операцию отключения, что и обычный тиристор. Его можно включить двумя способами: повышением прямого напряжения выше напряжения отключения, подачей положительного тока затвора.

Когда на GTO подается прямое напряжение, т. е. напряжение на аноде больше, чем на катоде, переход j1 и j3 смещается в прямом направлении, а переход j2 смещается в обратном направлении. Обратно смещенный j2 не позволяет току течь через устройство. Если прямое превысит значение прямого отключения по напряжению , произойдет лавина, и J2 станет смещенным в прямом направлении, что позволит протекать току. этот тип переключения является разрушительным, и его следует избегать.

Надлежащий метод включения GTO заключается в подаче положительного тока затвора при подаче прямого напряжения. Приложение положительного тока к затвору вводит дырки в область затвора P, что создает прямое смещение j3. Таким образом, позволяя току течь через него.

Механизм выключения

Для выключения GTO на клемму затвора подается отрицательный ток или отрицательное напряжение по отношению к катоду. Отверстия, входящие через анод, извлекаются через клемму затвора. Это делает переход j3 смещенным в обратном направлении, что останавливает инжекцию электронов из прикатодной области.

В это время катодный ток отсутствует, но анодный ток все еще протекает через клемму затвора, что называется «хвостовым током». она уменьшается экспоненциально. и как только он достигает нуля, устройство полностью отключается и блокирует напряжение на своих клеммах. Ток выключения, необходимый для GTO, зависит от анодного напряжения и тока, но обычно составляет одну четвертую от анодного тока.

  • Запись по теме: Типы транзисторов — BJT, FET, JFET, MOSFET, IGBT и специальные транзисторы

Типы GTO

В зависимости от структуры существует два типа GTO.

Асимметричный GTO

Асимметричный GTO — наиболее распространенный тип GTO, также известный как «GTO с короткозамкнутым анодом». Они обладают способностью блокировки асимметричного напряжения, т. е. напряжение блокировки в прямом направлении не равно напряжению блокировки в обратном направлении. Напряжение блокировки в обратном направлении намного меньше напряжения блокировки в прямом направлении. Обычно они используются с диодом, включенным встречно-параллельно.

Симметричный GTO

Симметричный GTO имеет возможности блокировки симметричного напряжения. Обратное напряжение блокировки такое же высокое, как и прямое напряжение. Он не имеет структуры с «закороченным анодом», вместо этого анод сделан из чистой области P+.

Режимы работы

Тиристор GTO или Gate Turn-Off, как и тиристор, может работать в следующих трех режимах.

Прямой режим блокировки

Когда приложенное напряжение между анодом и катодом положительное, но ток затвора отсутствует. Устройство не проводит и блокирует прямой ток, если анодное напряжение не превышает напряжения пробоя или не применяется ток затвора. Этот режим называется режимом прямой блокировки.

Режим прямой проводимости

В этом режиме GTO находится в состоянии проводимости и с тех пор является однонаправленным. Он проводит ток от анода к катоду. GTO, как и тиристор, можно перевести в проводимость либо подачей тока затвора, что является правильным способом, либо увеличением анодного напряжения выше напряжения отключения.

Обратный режим блокировки

Когда анодное напряжение становится отрицательным по отношению к катоду, оно блокирует ток. это однонаправленное устройство, оно не допускает обратного направления тока. Но если обратное напряжение превысит обратное перенапряжение пробоя, начнется проводимость.

ВАХ ГТО

ВАХ ГТО напоминают обычный тиристор, за исключением запирания затвора. GTO работает в первом и третьем -м -м квадрантах. На следующем графике показано соотношение между анодным напряжением V a и анодным током I C .

В первом квадранте анодное напряжение V a положительно по отношению к катоду, устройство находится в режиме прямой блокировки, но все еще присутствует прямой ток утечки. Увеличение V a выше перенапряжения прямого отключения V BF или подачи тока затвора GTO срабатывает в проводимость, пропуская анодный ток I a через него с уменьшенным падением напряжения V a во включенном состоянии на нем.

Подайте отрицательный ток на затвор, чтобы выключить GTO. I и уменьшаются, в то время как V и начинают появляться на устройстве.

В третьем квадранте V и отрицательны по отношению к катоду. Устройство находится в режиме обратной блокировки, но имеет место утечка тока, называемая обратным током утечки. Если напряжение превышает перенапряжение обратного отключения В BR устройство начинает проводить в обратном направлении. Он не является разрушительным, пока его продолжительность остается небольшой. Длительное время работы в режиме обратной проводимости повредит устройство.

Преимущества и недостатки GTO

Преимущества

GTO или запорный тиристор имеет следующие преимущества

  • GTO имеет функцию отключения, что исключает использование схемы коммутации. в свою очередь, размер, вес схемы существенно уменьшены.
  • Имеет малое время выключения с эффективным переключением.
  • Обладает лучшими коммутационными характеристиками, чем обычный тиристор.
  • Имеет возможности блокировки более высокого напряжения.
  • Обладает высокими перегрузками по току.
  • Экономичен из-за отсутствия дополнительной схемы коммутации.
  • Имеет более высокий КПД за счет отсутствия потерь на принудительную коммутацию в обычном тиристоре.
  • Он может выдерживать скачки тока, как обычный тиристор.

Недостатки

GTO имеет следующие недостатки:

  • Потери привода затвора и потери в открытом состоянии выше, чем у обычного тиристора.
  • Ток затвора, необходимый для срабатывания GTO, выше, чем у обычного тиристора.
  • Имеет более высокое падение напряжения во включенном состоянии.
  • Не выдерживает высоких обратных напряжений.
  • Имеет более высокую величину тока фиксации и удержания.

Применение ГТО


Благодаря превосходным характеристикам переключения и возможностям отключения без необходимости в схеме коммутации, GTO предпочтительнее обычного тиристора в различных приложениях. Некоторые из этих применений GTO приведены ниже:

  • Он используется в высокопроизводительных приводах переменного и постоянного тока.
  • Используется в VFD (преобразователь частоты) с регулируемой частотой.
  • Используется в преобразователях постоянного тока в переменный или постоянного тока.
  • Используется в прерывателях постоянного тока.
  • Используется в инверторах.
  • Используется в системах HVDC.
  • Используется в индукционном нагреве.
  • Используется для мощных источников питания переменного/постоянного тока.

Похожие сообщения:

  • Что такое тиристор и SCR? Типы, работа и применение
  • Что такое выпрямитель? Типы выпрямителей и принцип их работы
  • Что такое МОП-транзистор? Работа, типы, операции и приложения
  • Что такое диод? Конструкция и работа PN-переходного диода
  • Что такое BJT? Строительство, работа, типы и применение

URL скопирован

Показать полную статью

Связанные статьи

Кнопка «Вернуться к началу»

MITSUBISHI ELECTRIC Semiconductors & Devices: информация о продукте

Начало основного содержания

Semiconductors & Devices

Сыграв центральную роль в модернизации силовой электроники в 1960-х годов тиристоры большой емкости теперь работают с более высокими напряжениями и токами. В 1980-х годах он превратился из тиристора с обратной блокировкой без функции самовыключения в тиристор GTO (Gate Turn off), который переключается из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ, применяя отрицательный сигнал затвора даже в цепи постоянного тока. Кроме того, тиристор GCT (Gate Switched Turn Off), который унаследовал базовую структуру тиристора GTO и значительно уменьшил импеданс затвора, реализовал высокоскоростную работу и высокую эффективность выключения. Мы выстраиваем продукты высокой мощности, такие как тиристоры GCT, тиристоры GTO и тиристоры сверхвысокого напряжения, которые имеют большой опыт работы в этой области.

  • Тиристоры GCT 6000-6500В/400-6000А
    • Тиристоры
  • GTO 2500-4500В/1000А-4000А
  • Тиристор сверхвысокого напряжения 12 000 В/1 500 А

В частности, тиристорный блок SGCT (отключение с симметричным затвором) представляет собой тиристор GCT с блокировкой обратного напряжения. Благодаря сочетанию оптимально спроектированных драйверов затворов достигается превосходная производительность тиристоров SGCT, что способствует сокращению периода проектирования системы.

  • Реализация типа блокировки реверса высокого напряжения: Номинальное напряжение: прямое/6500 В, обратное/6500 В.
  • Он наследует характеристику низкого напряжения, характерную для тиристоров.
  • Подходит для высоковольтных автоматических выключателей, преобразователей тока.

Высоковольтный инвертор / Преобразователи частоты / SVG (статический генератор переменного тока) / BTB (Back-to-Back) / переключатели переменного/постоянного тока / тяговая силовая установка

Продукт Номинальный ток Номинальное напряжение
2,5 кВ 4,5 кВ 5,0 кВ 6,0 кВ 6,5 кВ 12кВ
GCT Тиристорный блок SGCT 400А         ●  
800А         ●  
1500А         ●  
Тиристор GCT 6000А       ●    
Тиристор ГТО 1000А   ●        
2000А ● ●        
3000А   ●        
4000А   ●        
Тиристор 1500А           ●

См.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *