Запираемые тиристоры GTO от ABB Semiconductors

Запираемый тиристор (GTO) — это ключ, который может быть выключен или включен посредством управляющего электрода. Для его работы требуется источник тока, а потребляемая им мощность выше, чем у ключей IGBT и IGCT.

Запираемый тиристор (GTO) – высокомощный полупроводниковый ключ, созданный для применения в промышленных целях, в цепях с высокими напряжениями и большими токами. GTO относится к транзисторной электронике, поэтому представляет собой четырехслойную структуру и с тремя переходами (n+pnp+). Они отличаются от обычных тиристоров тем, что приложении отрицательного напряжения к затвору они выключаются, что приводит к протеканию обратного току в цепи управления. Благодаря этому, нет необходимости реверсировать анодное напряжение для эффективного отключения и в результате отпадает необходимость в дорогостоящих коммутационных цепях, применяемых обычно в инверторах на тиристорах и время выключения значительно меньше.

С другой стороны, в проводящем состоянии, GTO работает как обычный тиристор, при этом эмиттера катода инжектирует электроны n+ а эмиттер анода инжектирует дырки p+ в базовую область. Получающаяся в результате платность плазмы очень высока и вследствие чего низкое падение напряжения на GTO по сравнению с диодом. Для улучшения отключающей способности p-n переход между управляющим электродом и катодом должен иметь решетчатую структуру.

Запираемые тиристоры разработаны для низких потерь в проводящем состоянии. Стандартная частота переключения — 200-500 Гц. Время переключения от одного состояния к другому и обратно колеблется от 10 до 30 мкс, поэтому они считаются сравнительно медленными. При выключении всем ключам GTO требуется защита от скорости увеличения прямого напряжения, а при включении — защитная цепь, которая ограничит скорость нарастания прямого тока.

Все запираемые тиристоры (GTO) производятся в таблеточных корпусах. Такая конструкция позволяет им надежно прижиматься к охладителям, которые обеспечивают электрический и тепловой контакт к выводам тиристора.

Standard

Обозначение	V DRM	V DC	V RRM	I TGQM at C S		I TAVM	I TSM		V T	V T0	rT	T VJM	RthJC	RthCH	Fm	Корпус
						T c =85°C	8. 3 мс T VJM	10 ms T VJM	I TGQM T VJM	T VJM
	В	В	В	A	мкФ	A	кA	кA	В	В	мОм	°C	K/кВт	K/кВт	кН
5SGA 15F2502	2500	1400	17	1500	3	570	10. 6	10	2.8	1.45	0.90	125	27	8	15	F
5SGA 20h3501	2500	1400	17	2000	4	830	17. 0	16	2.8	1.66	0.57	125	17	5	20	H
5SGA 25h3501	2500	1400	17	2500	6	830	17. 0	16	3.1	1.66	0.57	125	17	5	20	H
5SGA 30J2501	2500	1400	17	3000	5	1300	31. 0	30	2.5	1.50	0.33	125	12	3	40	J
5SGA 06D4502	4500	2800	17	600	1	195	3. 1	3	4.0	1.90	3.50	125	50	8	10	D
5SGA 20h5502	4500	2800	17	2000	4	710	14. 0	13	3.5	1.80	0.85	125	17	5	20	H
5SGA 30J4502	4500	2800	17	3000	6	930	25. 0	24	4.0	2.20	0.60	125	12	3	40	J
5SGA 40L4501	4500	2800	17	4000	6	1000	26. 0	25	4.4	2.10	0.58	125	11	3	40	L

Buffer Layer

-низкие потери при включении и коммутациях

Обозначение	V DRM	V DC	V RRM	I TGQM при C S		I TAVM	I TSM		V T	V T0	rT	T VJM	RthJC	RthCH	Fm	Корпус
						T c =85°C	8. 3 мс T VJM	10 ms T VJM	I TGQM T VJM	T VJM
	В	В	В	A	мкФ	A	кA	кA	В	В	мОм	°C	K/кВт	K/кВт	кН
Fine Pattern Type
5SGF 30J4502	4500	3000	17	3000	3	960	25	24	3. 90	1.80	0.70	125	12	3	33	J
5SGF 40L4502	4500	2800	17	4000	6	1180	26	25	3. 80	1.20	0.65	125	11	3	40	L

2.2. Тиристоры gto, gtc.

Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники началось в 1953 г., когда стало возможным получение кремния высокой чистоты и формирование кремниевых дисков больших размеров. В 1955 г. был впервые создан полупроводниковый управляемый прибор, имеющий четырехслойную структуру и получивший название «тиристор».

Он включался подачей импульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивается снижением протекающего через него прямого тока до нуля, для чего разработано множество схем индуктивно-емкостных контуров коммутации. Они не только увеличивают стоимость преобразователя, но и ухудшают его массогабаритные показатели, снижают надежность.

Поэтому одновременно с созданием тиристора начались исследования, направленные на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Главная проблема состояла в обеспечении быстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях.

Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn Off (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры. Однако вентили, представляющие интерес для силовой электроники, появились только в 1973 г.

В середине 90-х годов был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшим развитием GTO-технологии. Сейчас одновременно с выпуском GTO началось производство первых серийных GCT.

Впервые транзисторные (трехслойные) структуры применили в качестве ключевых элементов силовых преобразователей в середине 60-х годов. До этого их использовали лишь в аналоговой усилительной технике. Массовое применение в силовой электронике транзисторы получили после разработки биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), являющихся синтезом полевого и биполярного транзисторов.

Таким образом, сейчас в качестве ключевых элементов силовых статических полупроводниковых преобразователей на подвижном составе используются как обычные тиристоры, так и GTO, GCT-тиристоры и IGBT-транзисторы.

Устройство. Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическая четырехслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На рис. 1 приведены условное обозначение (а), структурная схема (б) и схема замещения (в) выключаемого тиристора.

Рис. 1. Запираемый тиристор:

а — условное обозначение; б — структурная схема; в — схема замещения

Подобно обычному тиристору он имеет катод К, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключаются в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и p-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n⁺. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных 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 распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой области п.

Устройство тиристора GTO показано на рис. 2. Основой прибора таблеточной конструкции является кремниевая четырехслойная пластина 1, общий вид которой показан на рис. 3. На ней различимы чередующиеся секторами катодный n⁺ и базовый p слои. Пластина 1 (см. рис. 2) через термокомпенсирующие молибденовые диски 2 зажата между двумя медными основаниями 4, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью.

Рис. 2. Устройство тиристора GTO:

1 — четырехслойная пластина; 2 — молибденовые диски; 3 — управляющий электрод; 4 — медные основания; 5 — корпус; 6 — вывод электрода

Рис. 3. Общий вид кремниевой пластины тиристора GTO

Верхнее основание является анодом прибора, нижнее — катодом. С кремниевой пластиной 1 контактирует управляющий электрод 3, имеющий вывод 6 в керамическом корпусе 5. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения. В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.

Защитные цепи. Использование тиристоров GTO, как и других силовых полупроводниковых приборов, требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массогабаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.

Назначение любой защитной цепи — ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи Св (рис. 4) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dv_t/dt при выключении тиристора.

Рис. 4. Схема защитной цепи

Дроссели L_E устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока di_t/dt при включении тиристора. Значения dv_t/dt и dit/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.

Кроме конденсаторов и дросселей, в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающие заряд и разряд реактивных элементов. К ним относятся: диод D_B, который шунтирует резистор R_B при выключении тиристора Т и заряде конденсатора С_В, резистор R_B, ограничивающий ток разряда конденсатора С_В при включении тиристора Т.

Gate Turn Off — Тиристоры GTO

• Главная
• > Продукты
• > Power Semiconductors
• > Дискретные тиристоры
• > Тиристоры GTO

3

3

3

3

Тиристор отключения ворот — капсульный тип Детали серии Ворота отключают тиристоры В DRM (В): 1400, 1700, 2000, 2500, 4500 В РРМ (В):  18, 100, 1400, 2000 I TGQ (А): 500, 700, 1000, 1200, 2000, 2500, 3000, 4000

• Технические ресурсы

• Посмотреть все
• Белые книги
• Замечания по применению

	Импульсная мощность с использованием мощных полупроводников
	Littelfuse Установка и обращение с пресс-упаковкой Полупроводниковые устройства Примечание по применению

Тиристор отключения затвора, GTO » Электроника Примечания

Тиристор отключения затвора основан на базовой тиристорной технологии, но может отключаться действием затвора.

---

Симистор, диак, тиристор Учебное пособие Включает:
Основы работы с тиристорами Структура тиристорного устройства Тиристорный режим Затвор выключения тиристора, ГТО Технические характеристики тиристора Что такое симистор Технические характеристики симистора Обзор Диака

---

Тиристор отключения затвора, GTO представляет собой вариант более стандартной формы тиристора. Вместо затвора, используемого для включения тиристора, внутри тиристора выключения затвора, GTO, импульс затвора отключает устройство.

Дополнительные возможности тиристора gate-turn-gg позволяют использовать его там, где стандартный тиристор не подходит. Хотя его использование более ограничено, его можно использовать в ряде специализированных приложений.

Эти запирающие тиристоры используются в ряде областей, особенно в приводах с регулируемой скоростью, высокомощных преобразователях, инверторах и подобных областях. Хотя они не так хорошо известны, как более стандартные формы тиристоров, тиристор с затвором выключения в настоящее время широко используется, поскольку он способен преодолеть многие недостатки традиционного тиристора. В результате запорный тиристор используется практически во всех высоковольтных преобразователях постоянного и постоянного тока в переменный ток

Запорный тиристор

Способность тиристора выключения затвора включаться сигналом затвора, а также выключаться сигналом затвора отрицательной полярности делает его уникальной возможностью в семействе тиристорных устройств.

Включение устройства осуществляется импульсом «положительного тока» между выводами затвора и катода. Поскольку затвор-катод ведет себя как PN-переход, между выводами возникает относительно небольшое напряжение.

Однако феномен включения в GTO не так надежен, как у стандартного тиристора, и для повышения надежности необходимо поддерживать небольшой положительный ток затвора даже после включения.

Структура тиристора отключения затвора

Как и стандартный тиристор, запорный тиристор представляет собой четырехслойное устройство с тремя переходами. Слои снова представляют собой P N P N, причем внешний слой p обеспечивает соединение с анодом, а внешний слой n обеспечивает соединение с катодом.

Для достижения высокой эффективности эмиттера катодный слой сильно легирован для образования n+-области. Недостаток этого заключается в том, что переход, ближайший к катоду (обычно обозначаемый J3), имеет низкое напряжение пробоя — обычно 20-40 вольт.

Уровень легирования p-области затвора оценивается. Это должно обеспечить хорошую эффективность эмиттера, для которой уровень легирования должен быть низким, и в то же время обеспечить хорошую характеристику выключения, для которой необходим высокий уровень легирования.

Электрод затвора часто встречно-цифровой для оптимизации текущей возможности включения/выключения. Сильноточные устройства, то есть 1000 А и выше, могут иметь несколько тысяч сегментов, которые все подключены к общему контакту затвора.

Другим ключевым параметром тиристора с запиранием затвора является максимальное прямое запирающее напряжение. Это определяется уровнем легирования и толщиной базовой области n-типа. Поскольку многим устройствам может потребоваться блокировать напряжения в несколько киловольт, уровень легирования в этой области должен быть относительно низким.

Структура тиристора выключения затвора

Работа тиристора выключения затвора

Многие характеристики тиристора отключения Gate, GTO очень похожи на свойства обычного тиристора. Это можно представить как один транзистор PNP и один NPN, подключенные в регенеративной конфигурации, при этом после включения система поддерживает себя в этом состоянии.

Эквивалентная схема тиристора, включающая запирающий тиристор

Когда на запирающий тиристор между анодом и катодом подается потенциал, ток не течет, поскольку ни одно из устройств не включено. Ток будет течь только в том случае, если напряжение превысит напряжение пробоя, и ток будет течь в результате лавинного действия, но этот режим не нужен для нормальной работы. Говорят, что в этом непроводящем состоянии тиристор выключения затвора находится в режиме прямой блокировки.

Для включения устройства необходимо подать ток в цепь затвора устройства. Когда это сделано, на схеме включается TR2. Это тянет коллектор этого транзистора вниз к напряжению эмиттера, и это, в свою очередь, включает другой транзистор — TR1.

Тот факт, что TR1 теперь включен, гарантирует, что ток течет в базу TR2, и, таким образом, этот процесс обратной связи гарантирует, что после включения запирающего тиристора, как и любого другого тиристора, он останется открытым.

Ключевой особенностью тиристора отключения затвора является его способность отключаться с помощью электрода затвора на устройстве. Выключение устройства достигается подачей отрицательного смещения на затвор по отношению к катоду. Это извлекает ток из базовой области TR2. Результирующее падение напряжения на базе начинает смещать переход в обратном направлении и тем самым прекращать протекание тока в этом транзисторе — TR2.

Это затем останавливает инжекцию в базовую область TR1, и это предотвращает протекание тока в этом транзисторе.

С точки зрения физики фазы выключения обнаружено, что во время фазы выключения GTO ток скапливается в нити тока с более высокой плотностью в областях, наиболее удаленных от области затвора. Эти области с высокой плотностью тока нагреваются и могут привести к отказу устройства, если ток не будет быстро погашен.