Тиристоры - это семейство четырехслойных приборов. Тиристор переходит в состояние полной проводимости в прямом направлении (отпирается), когда на одном из его электродов (аноде) появляется положительное напряжение относительно другого электрода (катода), при условии подачи на третий электрод, называемым затвором, включающего сигнала (импульса) тока или напряжения. Проводимость отпирания является необходимой для обеспечения низких потерь в проводящем состоянии. Конструкция некоторых тиристоров не предусматривает наличие затвора, управляющего выключением устройства, в этом случае тиристор переходит из проводящего в непроводящее состояние только в случае, когда обеспечивается прохождение тока через нуль какими-либо другими средствами. В некоторых других тиристорах конструкцией предусмотрено наличие управляющих затворов обеспечивающих включение и выключение тиристора. Тиристор может быть разработан с возможностью запирания в прямом и обратном направлениях (симметричное устройство) или только в прямом направлении (асимметричное устройство). Тиристоры являются наиболее важными приборами для устройств FACTS.
1. ТИРИСТОР (без возможности управления моментом выключения)
Тиристором называется трехслойное устройства с тремя р-n переходами (Рис.1), условное обозначение и структура которого показаны на Рис.1 (a) и Рис.1 (b). Тиристор – это коммутационный прибор, способный пропускать ток в одном направлении. Включенный подачей отпирающего импульса, он переходит в проводящее состояние с весьма малым прямым падением напряжения (от 1,5 до 3 В) при номинальном токе. В устройстве не предусмотрена возможность управления моментом отключения тока, таким образом, оно выключается только при естественном переходе через нуль тока, обусловленного процессами во внешней цепи.
Рис. 1. Тиристор: (a) условное обозначение тиристора, (b) структура тиристора, (c) двух –транзисторная структура , (d) эквивалентная схема тиристора.
Как ранее упоминалось, тиристор является незаменимым устройством в силовой электронике. Во многих случаях возможность управления моментом выключения не является необходимой. Обычные тиристоры имеют более высокие номинальные значения напряжения и тока, характеризуются более простой схемой управления, меньшими потерями; их стоимость составляет менее половины по сравнению с приборами, выполненными с возможностью управления моментом выключения. Поэтому, решение в пользу более дорогого прибора с возможностью управления моментом выключения с более высокими потерями принимается на основании решающих преимуществ, что может иметь место именно для устройств FACTS, что будет пояснено ниже.
Как показано на Рис.1 (с,d), тиристор эквивалентен объединению двух транзисторов типа pnp и npn. При подаче положительного сигнала включения на p затвор верхнего npn транзистора относительно n+ эмиттера (катод на Рис.1 (d)), прибор переходит в проводящее состояние. Ток через npn транзистор становится отпирающим фактором для затвора pnp транзистора, как показано стрелками, способствуя и его переходу в проводящее состояние. В свою очередь ток через pnp транзистор, становится отпирающим фактором для затвора npn транзистора, обеспечивает регенеративный эффект устойчивой проводимости с низким падением напряжения в прямом направлении при протекании электрического тока, по существу ограниченного внешней цепью. Важно отметить, что когда тиристор переходит в проводящее состояние, происходит насыщение внутренних p и n слоев электронами и дырками, и работа устройства соответствует короткозамкнутой цепи в прямом направлении. Таким образом, тиристор в целом ведет себя подобно устройству с одним pn с переходом (как диод). Т.е. падение напряжения в режиме проводимости в прямом направлении соответствует только одному переходу (при фактическом наличии трех), что сравнимо с прибором с двумя переходами MOSFET и IGBT.
Из диаграммы очевидно, что n база нижнего транзистора, также может использоваться для включения, однако в этом случае требуется больший ток базы, поэтому в тиристорах в качестве затвора для включения используется p база.
При переходе тока через нуль (обусловленного внешней цепью), в центре области pn тиристора остается избыточное количество электронов и дырок, удаление или рекомбинация которых необходимы для восстановления его готовности блокирования напряжения, когда оно снова станет положительным. В цепях, выполненных на базе тиристоров, удаление этого накопленного заряда осуществляется незамедлительно после приложения отрицательного напряжения к прибору после перехода тока через нуль, в дополнение к более медленному процессу рекомбинации носителей заряда, обусловленного тепловым равновесием. Таким образом, время выключения, которое может составлять от нескольких до нескольких десятков микросекунд, зависит от приложенного обратного напряжения после перехода тока через нуль, и должно тщательно учитываться в зависимости от особенностей применения. Время выключения должно быть достаточным для последующего безопасного приложения положительного напряжения.
В случае большой пластины тиристора, затвор выполняется со структурой, распространяющейся по всей катодной поверхности, как показано на фото Рис.2. Кроме того, для уменьшения необходимого импульса тока затвора применяются несколько усилительных каскадов, выполненных в виде концентрических окружностей в центре. Это является существенным для быстрого распространения тока включения по всему прибору. Это обеспечивается посредствам применения ряда различных структур затвора; одна из таких структур показана на Рис.2. Требуемая структура выполняется с помощью трафаретов, фотолитографии, травления, окисной изоляции, и т.д., начиная с обработки слоя с n- примесью однокристаллической пластины.
Рис.2. Тиристор с пластиной диаметром 125 мм, с номинальными параметрами 5 кВ и 5000 A. Затвор выполнен в виде спирали с дополнительным усилительным прибором в центре. Прибор имеет уникальную легкую многослойную кремниевую конструкцию (LSS) с соединительной инертной кремниевой пластиной. Импульс управления прикладывается к двум зажимам между затвором и катодом. (С разрешения корпорации энергетических кремниевых устройств SPCO.)
Быстрое распространение тока при включении по всей пластине является важной характеристикой, особенно для того, чтобы гарантировать протекание больших аварийных токов в течение небольших промежутков времени, также как и для уменьшения потерь проводимости.
Целесообразно ввести в цепь управления дополнительный высоковольтный внешний тиристор с очень маленьким током, для того, чтобы увеличить усиление и уменьшить мощность, прикладываемую к затвору силового тиристора. Такое устройство было бы недорогим из-за его маленького номинального тока.
Включение тиристора может быть также осуществлено при подаче в область затвора электромагнитной волны (света) с соответствующим спектром.
Тиристор с прямым световым включением, позволяет осуществлять включение тиристора независимо от схем управления через волоконный световод. В качестве альтернативы можно рассматривать внешний управляемый тиристор (упомянутый выше), который может быть выполнен как тиристор с световым включением, осуществляющий включение основного тиристора, который является электрически включаемым.
Приложение положительного анодного напряжения с высоким значением нарастания напряжения (du/dt) может также включить прибор. Это объясняется емкостной связью катода и затвора, а большое значение нарастания напряжения dv/dt вызывает протекание достаточного тока для включения прибора. Этот вид включения тиристора является небезопасным, так как такое включение может происходить в «слабой точке» области проводимости и распространяться медленно, что может вызвать повреждение прибора. Опасное включение может также произойти, если при слишком большом прикладываемом напряжении в направлении проводимости, таким образом, обеспечивается появление носителей заряда в «слабой точке» посредствам ускорения внутренних носителей заряда. Это также предполагает возможность преднамеренной разработки устройства со «слабой точкой», т.е. безопасное включение может быть предусмотрено конструкцией прибора. Такие устройства с системой самозащиты и избирательным включением были использованы в недавно выполненных проектах ППТ.
Другим важным аспектом является то, что при подаче импульса включения между анодом и катодом должно иметься большое напряжение, или высокая скорость его нарастания, чтобы вызвать быстрое включение. Недостаточное напряжение способствует мягкому включению прибора с медленным уменьшением падения напряжения на приборе при увеличении тока. Данный способ включения приводит к высоким коммутационным потерям в некоторой области прибора и к его возможным повреждениям. В зависимости от применения, прибор должен проектироваться для указанного минимального напряжения включения с блокированием импульса включения в случае приложения несоответствующего напряжения в прямом направлении.
При высоких температурах, тиристор имеет отрицательный температурный коэффициент. Это выполнено для того, чтобы гарантировать однородное внутреннее включение и выключение устройства. Тиристор является высоковольтным прибором с большим количеством внутренних носителей заряда и носителей, обусловленных добавлением примесей. При увеличении температуры увеличивается число тепловых носителей, что приводит к снижению падения напряжения в прямом направлении.
При переходе тиристора во включенное состояние необходимо обеспечить минимальный ток от анода к катоду для поддержания прибора во включенном состоянии. Этот минимальный ток обычно составляет несколько процентов от номинального тока. В цепях управления предусмотрена возможность подачи повторного импульса включения, если это необходимо.
Отметим, что вообще тиристоры имеют большую перегрузочную способность. Они выдерживают двукратную перегрузку по току в течение нескольких секунд, десятикратную в течение нескольких периодов, и 50-кратный ток короткого замыкания в течение одного периода.
2. ТИРИСТОР С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ ВЫКЛЮЧЕНИЯ (GATE TURN-OFF)
Тиристор с возможностью управления моментом выключения (GTO – от английского термина Gate Turn Off) в основном аналогичен обычному тиристору и по существу большинство аспектов, относятся также и к GTO. GTO-тиристор (Рис. 3) подобно обычному тиристору, является включаемым прибором, но также обеспечивает и выключение. Материал, изложенный в данном разделе, относится к обычному GTO-тиристору, без последних дополнений, используемых в приборах под другими сокращенными обозначениями, которые рассмотрены ниже.
Эквивалентная схема GTO-тиристора, Рис.3 (c), аналогична эквивалентной схеме тиристора на Рис.1 (c) , за исключением того, что добавлена возможность выключения между затвором и катодом параллельно затвору включения (что показано только стрелками на эквивалентной схеме). При подаче большого импульса тока в направлении от катода к затвору, происходит перемещение значительного количество носители заряда от катода, то есть, от эмиттера верхнего pnp транзистора, и таким образом, npn транзистор не будет принимать участия в процессе регенерации. Поскольку верхний транзистор переходит в выключенное состояние, нижний транзистор остается с открытым затвором, таким образом, прибор возвращается в непроводящее состояние. Однако, необходимый ток затвора для реализации выключения является весьма большим. Принимая во внимание, что импульс тока, необходимый для включения, может составлять 3-5 %, то есть, порядка 30 A, в течение 10 мксек для устройства с номинальным током 1000А, в то время как ток, необходимый для выключения устройства, составляет 30-50 %, то есть, 300А или больше в течение 20-50 мксек. Напряжение, необходимое для управления большим импульсом тока, относительно невелико (приблизительно 10-20 В), и поскольку длительность импульса составляет 20-50 мксек, энергия, необходимая для выключения прибора, является не очень большой величиной. Все же GTO характеризуется достаточно большими потерями, поэтому экономическая целесообразность его применения обусловлена величиной потерь и требуемым охлаждением, с учетом количества вентилей и их устройств выключения в преобразователе. Необходимая энергия для выключения GTO в 10 - 20 раз больше энергии, необходимой для включения, а энергия для включения GTO в 10 - 20 раз больше энергии включения тиристора. Стоимость и размер цепей выключения GTO сопоставимы со стоимостью самого прибора.
Рис.3. Тиристор с возможностью управления моментом выключения (GTO): a- условное обозначение GTO-тиристора, b- структура GTO-тиристора, c- эквивалентная схема GTO-тиристора.
Другое соображение состоит в том, что процесс выключения должен осуществляться равномерно по всему прибору. Принимая во внимание, что тиристор имеет один катод с одиночной структурой затвора, которую распространяют по прибору, для успешного отключения GTO требуется разделение катода на несколько тысяч участков (островков) с общей линией затвора, которая окружает весь катод и его участки (см. Рис. 4). Таким образом, GTO состоит из большого количества катодов тиристора с общим затвором, областью проводимости (дрейфовой областью), и анодом. Учитывая сложную структуру, современные GTO не имеет встроенных схем усиления. Следовательно, полная возможная для использования в качестве катода область уменьшилась примерно приблизительно на 50% по сравнению с тиристором. Поэтому падение напряжения GTO в прямом направлении приблизительно на 50 % больше, чем у тиристоров, но, однако, на 50% ниже, чем у транзистора (IGBT) такой же мощности. Технологический процесс производства GTO является аналогичным процессу производства тиристоров, хотя вследствие сложной структуры катода, необходимы большие требования к чистоте производственных помещений, а стоимость GTO может быть вдвое больше стоимости тиристора с аналогичными характеристиками. Что касается тиристоров конструкции GTO, в них осуществлен компромисс таких параметров как напряжение, ток, di/dt, du/dt, время коммутации, потери проводимости, коммутационные потери, и т.д.
Рис.4. Пластина GTO-тиристора диаметром 77 мм на номинальные параметры 4,5 кВ и 2000 A. Катодная структура состоит из большого числа зубчатых островков, расположенных по окружности. Остальная поверхность является затвором.
GTO широко используются в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, в которых применено встречно-параллельное включение с каждым GTO-тиристором диодов, характеризующихся быстрым восстановлением, что в свою очередь означает, что в GTO нет необходимости предусматривать возможность устойчивости к обратному напряжению. Что также обеспечивает оптимизацию других параметров, особенно падения напряжения и применения более высоких номинальных значений тока и напряжения. Оптимизация параметров достигается с помощью так называемого буферного слоя, т.е n+ слоя с большим количеством примесей на границе с n- слоем. Такие GTO называются асимметричными.
Так же как и у тиристоров, непрерывный длительно допустимый эксплуатационный термический предел pn перехода составляет 100°С, после принятия в расчет допущений относительно требований для протекания тока замыкания. Подобно тиристору, GTO способен выдерживать кратковременную перегрузку по току (10-кратную в течение одного периода). Механизмы возникновения неисправностей аналогичны, поэтому необходима соответствующая форма краев пластин для уменьшения перенапряжений и пассивация, с целью избежания перекрытий вблизи граней.
В тиристорах, поскольку переход тока через нуль вызывается внешней сетью, напряжение на приборе после этого автоматически и немедленно становится отрицательным. Напротив, GTO выключается в то время, когда к контуру все еще приложено напряжение в прямом направлении. Поэтому для успешного выключения необходимо уменьшить скорость нарастания прямого напряжения с помощью демпфирующих цепей.
В GTO, с анодной стороны pn- перехода введено небольшое количество примесей с целью поддержания почти всего запирающего напряжения, по существу, на n- слое. С другой стороны, в катодную часть pn перехода добавлено большое количество примесей с обеих сторон, для того, чтобы напряжение включения было приблизительно 20 В.
2.1. Процессы включения и выключения
Кроме мощных цепей управления, GTO-тиристор характеризуются большими коммутационными потерями, что является важным при оценке процессов включения и выключения с учетом перенапряжений на приборе и потерь. На Рис.5 представлены упрощенные характеристики процессов выключения и включения. Для включения устройства, между затвором и катодом подается импульс тока в течение 10 мксек, величина которого составляет около 5% тока нагрузки с большой скоростью нарастания, ограниченной в значительной степени индуктивностью контура затвор-катод. Однако, в цепи имеется задержка на несколько микросекунд прежде, чем анодно-катодный ток начинает возрастать, а напряжение понижаться. Величина производной тока ограничена параметрами цепи, так как для безопасного включения прибора требуется равномерное включение всех катодных островков. Также, учитывая топологию цепи преобразователей напряжения, выполненных на базе источника напряжения (раздел П3), включение GTO сопровождается выключением встречно - параллельного диода, подключенного к другому вентилю той же самой фазы. Следовательно, GTO-тиристор включает ток главной цепи, а также пропускает большой обратный ток утечки диода. В течение этого процесса происходит нарастание тока и медленное уменьшение анодно-катодного напряжения в соответствии с распространением плазмы, до значения напряжения, соответствующего включенному состоянию устройства.
а | b
Рис. 5. Процессы включения и выключения GTO-тиристора: a- включение и b- выключение.
После полного включения, необходимо поддерживать некоторый ток затвора приблизительно 0,5 % от номинала, чтобы исключить возможность его запирания; этот ток называется током величины удержания («заднее крыльцо»). Потери включения GTO являются результатом одновременного существования напряжения и тока, что усугубляется токовой перегрузкой обратным током диода, упомянутого выше.
Процесс выключения требует намного большего обратного импульса тока, значение которого составляет больше чем 30 % тока прибора, который переводит часть тока от катода к затвору. При приложении импульса выключения, наблюдается существенная временная задержка (называемая временем задержки), в катодной области, прежде чем ток начинает уменьшаться и происходит увеличение напряжения. Эта задержка приводит к существенному потреблению энергии цепями затвора. Уменьшение анодно-катодного тока сначала происходит быстро до некоторого небольшого значения, а затем продолжает уменьшаться медленно, пока не произойдет рекомбинация носителей в pn области анодной части прибора. Потери, вызванные данным процессом, составляют значительную часть суммарных потерь выключения.
В течение выключения необходимо ограничивать скорость нарастания напряжения, чтобы гарантировать безопасность всех катодных островков.
Основным недостатком GTO по сравнению с IGBT, описание которого будет представлено ниже, является большое потребление энергии на выключение. GTO-тиристоры - приборы с большим временем выключения, более низким допустимым di/dt и du/dt, и поэтому, дорогостоящими цепями демпфирования включения и выключения, что в свою очередь увеличивает стоимость прибора и потери. Из-за медленного выключения, прибор может быть использован в ШИМ-преобразователях с относительно низкой частотой (до нескольких сотен Гц) которой, однако, достаточно для мощных преобразователей. С другой стороны, GTO характеризуются более низким падением напряжения в прямом направлении и большими номинальными величинами, чем IGBT. GTO использовался в устройствах FACTS мощностью несколько сотен MВт.
Большим преимуществом было бы, если бы прибор имел низкое падение напряжение во включенном состоянии (как у тиристора), так же как и малое потребление энергии на включение и быстрое выключение (как у IGBT). Фактически, на рынке существует ряд таких устройств, которые со временем могли бы заменить обычные GTO. Эти устройства, фактически, являются усовершенствованными GTO, которые совместили внедрение концепции стандартного модульного оборудования (PEBB) и уменьшение потребления мощности цепями затворов, а также обеспечение быстрой коммутации. Основным является обеспечение быстрого выключения, которое по существу означает быструю передачу тока от катода к затвору верхнего транзистора. Эти требования были реализованы различными путями в усовершенствованных GTO-приборах. Последние включают MOS-тиристор с возможностью управления моментом выключения (MTO), в тиристоре с управляемым эмиттером (ETO), и в интегрированном тиристоре с управляемым затвором (IGCT), краткое описание которого приведено ниже.
3. MOS ТИРИСТОР С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ ВЫКЛЮЧЕНИЯ (MTO)
Компания SPCO разработала MTO-тиристор, который является комбинацией GTO и MOSFET, в данном тиристоре преодолены ограничения GTO относительно мощности затвора, демпфирующих цепей и ограничений по du/dt. В отличие от IGBT, МОS структура не распространяется по полной поверхности прибора, а вместо этого элементарные MOSFET расположены вокруг GTO, чтобы устранить потребность GTO в больших импульсах тока выключения. По существу в устройстве сохранена структура GTO для использования ее преимуществ: большого напряжения (до 10кВ), большого тока (до 4000 A) и более низких потерь проводимости, чем в IGBT. С помощью MOSFET и плотной сборки, удается минимизировать паразитные индуктивности в цепи катод- затвор, MTO становятся существенно более эффективными, чем обычные GTO, т.к. в них требуется значительно меньшие мощности цепи управления, несмотря на уменьшение времени зарядки при выключении, что обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик и уменьшение системных затрат. Как и прежде для GTO, необходимо двустороннее охлаждение, что позволяет выполнить технологическую сборку устройства более компактной для эффективного теплоотвода как от GTO.
Рис.6. MOS-тиристор с возможностью управления моментом выключения (MTO) : a- условное обозначение MTO, b- структура MTO, c- эквивалентная схема MTO и d- уточненная эквивалентная схема MTO.
На Рис.6 изображено условное обозначение, структурная и эквивалентная схемы MTO; на Рис.7 представлена его фотография. MTO представляет собой четырехслойное устройство с двумя затворами, один из которых управляет моментами включения, а другой выключения. У обоих затворов электроды непосредственно соединены с р слоями. Аналогично GTO, включение тиристора обеспечивается импульсом тока включения в течение 5-10мксек, который составляет 0,1 от номинального тока и последующим небольшим поддерживающим током. Импульс включения подается на верхний npn транзистор, который в свою очередь включает нижний pnp, что приводит к устойчивому включению.
Рис.7. MOS-тиристор с управляемым затвором диаметром 50 мм (MTO ™), выполненный на номинальные характеристики 4,5кВ и 500 A. Полностью собранный прибор показан со снятой крышкой. Внутри прибора установлен GTO- тиристор, такой же, как на рисунке П2.10, но окружности которого расположены низковольтные MOSFET транзисторы для затвора выключения. Это кольцо частично разрезано, чтобы показать MOSFET. Затвор включения - стандартный для GTO. (С разрешения Корпорации энергетических кремниевых устройств (SРCO). MTO - это торговая марка SPCO.)
Выключение устройства выполняется посредствам приложения импульса напряжения приблизительно 15В к затворам MOSFET, и, таким образом, е включенным транзисторам, что закорачивает контур между эмиттером и базой npn транзистора, что обеспечивает переход в запертое состояние. В отличие от выше представленных рассуждений, выключение обычного GTO осуществляется переводом тока из контура эмиттер - база верхнего npn транзистора большим импульсом отрицательной полярности, для предотвращения регенеративного процесса (проводимости). В новом приборе одинаково важным является то, что его выключение может быть произведено намного быстрее, (1-2 мксек вместо 20-30 мксек), и потери, связанные с временем зарядки будут почти устранены. Это также означает большое значение du/dt, меньшую емкость и устранение активного сопротивления демпфирующих цепей.
Малое время выключения также означает, что включение в цепь MTO последовательно может осуществляться без подбора характеристик приборов, так как фактически выключение всех приборов осуществляется одновременно, и каждый прибор пропускает свою долю тока. Так как MOSFET по существу включены параллельно катоду затвора GTO, то для быстрого выключения необходимы MOSFET с очень малым падением напряжения в прямом направлении. MOSFET являются маленькими, недорогими и производимыми в больших количествах приборами. Быстрое выключение MTO и других усовершенствованных типов GTO может по существу преодолеть недостатки GTO по сравнению с IGBT в отношении защиты от сверхтоков.
Необходимо отметить, что продолжительная часть характеристики выключения, показанная в конце процесса выключения на Рис.5 является реальной и характерной для применяемых в настоящее время приборов; следующее включение прибора произойдет только после того, как остаточный заряд на стороне анода рассеется в результате процесса рекомбинации. Это также применяется в других усовершенствованных тиристорных устройствах, описанных ниже, кроме MCT. Однако, было бы более выгодно, если бы на анодной стороне имелся другой затвор, что позволило бы ускорить рассеяние заряда в анодной области. Такое устройство позволило бы значительно улучшить характеристики полупроводниковых приборов большой мощности. Данный подход был предложен SPCO, которая также предлагает монолитную конструкцию устройства, в которой MOSFET- транзисторы внедрены в p слои GTO.
4. ЗАПИРАЕМЫЙ ТИРИСТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ ЭМИТТЕРОМ (ETO)
Подобно MTO, ETO представляет собой другую эксплуатационную разновидность устройства, сочетающего в себе свойства тиристора и транзистора, то есть, GTO и MOSFET. ETO был изобретен в Центре энергетической электроники в Виржинии при сотрудничестве с SPCO. Условное обозначение ETO и его эквивалентная схема представлены на Рис.8. Как показано на рисунке, MOSFET T1 (N) соединен последовательно c GTO, а второй MOSFET T2 (P) соединен между этим MOSFET и затвором GTO. Фактически T1 состоит из нескольких N- MOSFET транзисторов, а T2 из несколько P- MOSFET, установленных вокруг GTO, с целью уменьшения индуктивности между транзисторами и катодным затвором GTO. N- и P-транзисторы и GTO являются устройствами массового производства.
Рис.8. Тиристор с управляемым эмиттером (ETO): а - условное обозначение ETO и b- эквивалентная схема ETO.
Прибор ETO имеет два затвора: один затвор является затвором GTO и используется для включения, а другой - затвором последовательного MOSFET и используется для выключения. Когда на N- MOSFET транзистор подается выключающий сигнал напряжения, он выключается и передает весь ток от катода (n эмиттера верхнего npn транзистора GTO) к базе через MOSFET T2, предотвращая, таким образом, регенеративное запирающее состояние и обеспечивая быстрое выключение. Важно заметить, что к MOSFET- транзисторам не прикладывается высокое напряжение, вне зависимости от того, насколько высоким является напряжение ETO. T2 соединен с его затвором, закороченным его стоком, и, следовательно, напряжение на нем будет чуть выше, чем пороговое напряжение, и максимальное напряжение на T1 не может превышать напряжения T2.
Преимущество последовательных MOSFET состоит в том, что передача тока от катода является полной и быстрой, обеспечивая тем самым одновременное выключение всех индивидуальных катодов. Недостатком последовательных MOSFET транзисторов является то, что они должны пропускать полный ток GTO, что приводит к увеличению полного падения напряжения и соответствующих потерь. Однако, так как эти MOSFET-транзисторы являются низковольтными устройствами, добавочное падение напряжения невелико (примерно 0,3-0,5В), хотя им нельзя пренебрегать.
Таким образом, ETO это по существу GTO, который с помощью вспомогательных MOSFET увеличивает скорость коммутаций GTO и, соответственно, уменьшает потери, что приводит к значительному удешевлению цепей управления затвором и демпфирующих цепей, что является большим недостатком мощных высоковольтных GTO.
Необходимо отметить, что продолжительная часть характеристики выключения, показанная в конце процесса выключения на Рис.5, является реальной и характерной для применяемых в настоящее время приборов; следующее включение прибора произойдет только после того, как остаточный заряд на стороне анода рассеется в результате процесса рекомбинации.
5. ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ТИРИСТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ ЗАТВОРОМ (GCT и IGCT)
Тиристор с управляемым затвором (GCT) является интенсивно коммутируемым GTO, выключение которого осуществляется с помощью очень короткого и большого импульса тока, величина которого равна полному номинальному току, при этом осуществляется распространение всего тока от катода к затвору за 1 мсек, для обеспечения быстрого выключения. Структура и эквивалентная схема GCT является такой же, как и GTO, показанного на Рис.3. IGCT - это прибор с дополнительными свойствам GCT, включая многослойную печатную цепь затвора, поставляемую в комплекте с основным прибором, который также может включать в себя обратный диод, структура IGCT показана на Рис.9, а фотография - на Рис.10.
Рис.9. Структура IGCT с управляемым затвором и обратным диодом.
Рис.10. Интегрированный тиристор с управляемым затвором (IGCT), который состоит из тиристорного устройства с коммутируемым затвором (GCT) и цепей затвора с малой индуктивностью. На рисунке показаны также две подложки различной конструкции. Нижняя пластина является новой разработкой GTO, а верхняя подложка характерна для GTO с обратным диодом, который является частью устройства.
Для того чтобы применять быстро растущий и большой ток затвора, в конструкции GCT (IGCT) предприняты специальные меры для того, чтобы уменьшить индуктивность цепей затвора (контур, состоящий из цепей управления затвором – затвора - катода) до минимального значения, что также требуется и для MTO и ETO. Основным существенным отличием GCT (IGCT) является быстродействие управляющих цепей затвора, что обеспечивается коаксиальной передачей тока на катодный затвор и многослойными цепями управления затвором, которые дают возможность возрастать току затвора со скоростью 4 кА/мксек при напряжении затвор - катод 20 В. За 1 мксек осуществляется полное включение верхнего транзистора GTO, а нижний pnp транзистор остается с открытой базой выключения. Так как импульс тока является кратковременным, энергия цепей управления затвора значительно уменьшена. Также, для избежания перерегулирования затвора, расход энергии цепей управления минимизирован. Потребление энергии цепями затвора уменьшено в 5 раз по сравнению с обычным GTO. Как и в обычном GTO, MTO и ETO, буферный слой находится на анодной стороне n-слоя, который уменьшает обычные потери проводимости и делает устройство асимметричным.
Анодный р-слой выполняется тонким с небольшим количеством примесей, что обеспечивает более быстрое перемещение зарядов с анодной стороны в процессе выключения. В структуру IGCT может также входить обратный диод, который представлен n+n-p переходом, находящимся в правой части структурной схемы Рис.9. Как ранее упоминалось, обратный диод необходим в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения. Буферный n слой выравнивает напряжение n- слоя, толщина n- слоя уменьшена на 40 %, для того чтобы обеспечивать конструктивное введение диода с падением напряжением в прямом направление в режиме проводимости, сопоставимым с внешне подключенным диодом. Естественно, объединение диодов означает соответствующее распределение кремниевой активной поверхности, которая в свою очередь уменьшает область для GTO на данной пластине.
Как следует из описания MTO, ETO и GCT, основные возможности GTO обусловлены вытеснением тока между катодом и базой верхнего транзистора настолько быстро, насколько это возможно. Уменьшенная величина индуктивности цепей затвора и катодного контура является свойством всех усовершенствованных типов GTO, описание которых приведено выше и также применяется в обычных GTO. Для всех них характерно большое значение dv/dt, однородный и кратковременный ток выключения, что способствует увеличению отключаемого тока до максимально возможного. Это, в свою очередь приводит к уменьшению емкости демпфирующих цепей без резистора, что способствует более простому последовательному соединению GTO, и включению с низкими затратами энергии, такими же как и в обычном GTO. Данные приборы и MCT (описанный ниже) по существу представляют главное в концепции стандартного модульного оборудования (PEBB). Объединение цепей управления обеспечивает главное преимущество усовершенствованных GTO, которые заменят обычные GTO, по крайней мере при применении в таких устройствах, характеристики которых должны быть значительно улучшены, например, - в устройствах FACTS.
Такое усовершенствование идеологии GTO представляет собой основное достижение, основанное на применении концепции PEBB, благодаря которой исключены паразитные индуктивности и емкости цепей управления и шинных соединений, которые имеют значительное влияние на величину полных потерь, демпфирующих цепей и всего вспомогательного оборудования.
6. ТИРИСТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ МОS-СТРУКТУРОЙ (MCT)
Управляемый МОS-структурой тиристор (MCT) содержит структуры, аналогичные MOSFET, в обоих устройствах включения и выключения.
На Рис.11 показан MCT n-типа. Эквивалентная схема для n-MCT, предназначенная для включения, состоит из n-типа МОSFET (обозначенного как n-FET), включенного вдоль катодной стороны npn транзистора, аналогично IGBT. Другой р-тип МОSFET (обозначенный как p-FET) включен вдоль катода затвора с катодной стороны npn транзистора и предназначен для выключения, аналогично MTO.
Рис.11. Тиристор, управляемый МОS-структурой (MCT): (a) условное обозначение MCT, (b) эквивалентная схема MCT и (c) структура MCT.
Включение n-FET происходит при приложении положительного напряжения к затвору относительно катода, при этом осуществляется протекание тока от анода к базе нижнего npn транзистора, который включается и приводит к устойчивому включению тиристора. Как показано, то же самое напряжение затвора подается на базу p-FET, который гарантирует, что p-FET не участвует в операциях.
Когда напряжение затвора станет отрицательным, произойдет выключение n-FET и включение р-FET. Таким образом, р-FET шунтирует катод затвора, обеспечивая запирание тиристора.
МОS структура распространена по всей поверхности прибора, обеспечивая быстрое включение и выключение с маленькими коммутационными потерями. Мощность/энергия, требуемая для включения и выключения прибора мала, так же как и время запаздывания (время зарядки). Кроме того, так как прибор является запираемым, он характеризуется незначительным падением напряжения во включенном состоянии, так же как тиристор. Процесс его производства по существу такой же, как и IGBT.
Основное преимущество MCT, по сравнению с другими запираемыми тиристорами, состоит в том, что в данном случае распределенные затворы МОS для включения и выключения расположены очень близко к распределенным катодам, что способствует быстрой коммутации и небольшим коммутационным потерям в тиристорном приборе. Поэтому MCT представляет почти полностью выключаемый тиристор с небольшими коммутационными потерями и потерями проводимости, а также является быстрым коммутационным прибором, необходимым для мощных усовершенствованных преобразователей с возможностью использования в активных фильтрах.
Источник:Hingorani N., Gyugyi L. «Understanding FACTS» - IEEE Press - Wiley, 2000. (Chapter 2. «Powersemiconductordevices»)
