מבוא ל- Gate Turn-Off Thyristors in Power Supply Design

שער הפוך-Off (GTO) Thyristor נשאר אבן הפינה ביישומים אספקת חשמל עתירי חשמל, למרות הופעתה של טכנולוגיות מוליכים למחצה חדשות יותר.בניגוד ל- Thyristors סטנדרטיים, GTO יכול להיות כבוי על ידי זרם שער שלילי הנוכחי, המציע מעבר מבוקר כי הוא חיוני עבור inverters, כוננים מערכת ההפעלה, ואספקת חשמל תעשייתית מוצלחת של GTO דורש תשומת לב קפדנית כדי לכסות שיטות פעולה, עיצוב יעיל של שיטות פעולה, עיצוב משותף, עיצוב.

GTOs משמשים בדרך כלל יישומים שבהם דירוגי מתח עולים על 600 V ודירוגים נוכחיים על פני כמה מאות אספרסים, כגון בכונן מנוע בינוני-voltage, VAR נספחators, וספקי כוח בלתי ניתנים להפרדה (UPS) היכולת שלהם להתמודד עם זרמי עלייה גבוהה לחסום מתחים גבוהים הופכת אותם אטרקטיביים, אבל היתרונות האלה באים עם אתגרים עיצוב.

מטרות של GTO

GTO הוא מכשיר תלת-טווח (anode, Cathode, שער) שפועל בדומה למקדש קונבנציונלי במהלך סיבוב-על.שער חיובי הנוכחי גורם התנהגות, ואת המכשיר לטבול לתוך המדינה.ההבדל המרכזי הוא יכולת ההמראה: יישום זרם שער שלילי (בדרך כלל 20% עד 30% של השבר) כוחות החוצה של התנהגות זו.

עם זאת, תהליך התפנית אינו מיידי; הוא כרוך זמן אחסון וזמן נופל במהלך מתח וחפיפה הנוכחית, גרימת החלפת הפסדים.הכונן השער חייב להיות מתוכנן בקפידה לספק זרם שלילי מספיק למשך זמן קצר כדי להשיג תפנית אמינה ללא דירוגים מתקדמים של המכשיר.

Best Practices for GTO Power Supply Design

יישום GTOs דורש גישה שיטתית.למטה הם אזורי עיצוב קריטיים, כל אחד עם המלצות ספציפיות.

עיצוב מעגלי שער: הלב של GTO

מעגל כונן השער חייב לספק הדופק הנוכחי חיובי גבוה עבור תור מהיר הדופק הנוכחי שלילי גבוה עבור תפנית.

  • (FLT:0 Turn-on שער זרם: FLT:1rea בדרך כלל 10-20 A עבור כמה מיקרו-שניות כדי להבטיח כיפה מהירה.הכונן צריך לספק יתרון עולה עם די גבוה / dt כדי למזער את ההפסדים של התורן.
  • (FLT:0 Turn-off שער זרם: FLT:1ir חייב להיות בטווח של 20-30% של זרם המפץ, עם משך קצר (בדרך כלל כמה מיקרו-שניות) על הכונן יש נתיב נמוך-סרפס כדי להטביע את הזרם השלילי.
  • (FLT:0Gate מתח בידוד: FLT:1 מאז השער מתייחס לקטודה, מעגלי כונן חייב להיות מבודד מלוגיקה שליטה (למשל, באמצעות מהפך הדופק או אופטים סיבים) עבור יישומים בעלי מתח גבוה.
  • (ב) ,0) תכונות של תגמול: 1FLT:1 , שילוב שער הנוכחי מגביל, גילוי נאות (לזהות הפוך לא שלם), ועומס יתר על השער.

אחד הפרקטיקה המתקדמת נפוצה הוא באמצעות כונן שער דו קוטבי שיכול לעבור בין +15 V עבור Turn-on ו- 15 V עבור ספין- off.זה מבטיח תנוחת מתח שער חזקה ומשפר חסינות רעש.בנוסף, נהג השער צריך להיות זמן תגובה מהיר (פחות מ 1 μs) כדי להתמודד עם ה- di / dv / dv / dv /dt הנוכחי במעגלי כוח.

(ב) ⁇ :0) , ⁇ (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עיצוב מעגל סנובר: ניהול Transients

רשתות סנקובבר חיוניות עבור GTOs כי תהליך ההמראה יוצר מתח משמעותי overshoot בגלל di / dt בלולאה כוח ואת המטען המאוחסן של המכשיר ללא נחירות, ספייק מתח יכול לעלות על המתח חוסם של המכשיר, גרימת כשל קטסטרופלי עבור עיצוב נורוב:

  • רשת התנגדות (RC) שונתה ישירות בין גולגולת וקטודה סופגת את האנרגיה הטרנסנדנטלית.
  • (FLT:0) RCD snubber (עם diode): irFLT:1 עבור כוח גבוה יותר, רCD snubber (resistor-capacitor-diode) מספק התאוששות אנרגיה טובה יותר.הדיו מאפשר את capacitor לטעון במהלך תורו, ואת הפרשות התנגדותו במהלך המדינה.
  • (FLT:0) מיקום: FLT:1; minimize parasitic inductance בין GTO לבין המחט. השתמש סרט קצר-חינוך סרט capaciacitors וללחוץ את החניכים ישירות למסופי המכשיר.
  • (FLT:0) snubber capacitor בחירת: ההרחבה 1 (FLT:1) ערכים אופייניים נע בין 0.1 μF ל 10 μF, בהתאם לזרם השבר.הדירוג המתח צריך להיות לפחות 20% גבוה יותר מאשר מתח אוטובוס DC.

עיצוב נינוח נכון לא רק מגן על GTO, אלא גם מקטין את ההתערבות האלקטרומגנטית (EMI) על ידי האטת מעברי מתח.עם זאת, נחירות מתפזרות כוח, ולכן ניהול תרמי חייב לקחת בחשבון את ההפסד הנוסף הזה.

ניהול תרמי: מניעת חימום יתר

GTOs לייצר חום משמעותי עקב ירידה בלחץ של מתח (בדרך כלל 2-4 V) והחלפת הפסדים.ניהול תרמי יעיל הוא קריטי עבור יישומים ארוכים.

  • (FLT:0) בחירת ההלכיור: 1FLT (FLT:1) השתמש באוויר או בקירור נוזלי עם התנגדות תרמית נמוכה מספיק כדי לשמור על טמפרטורת הצומת מתחת ל-125 מעלות צלזיוס (מקסימום זמני עבור סיליקון GTOs) כדי לחשב את כיור החום הנדרש בהתבסס על פירוק חשמל מוחלט וטמפרטורה מכוננת.
  • (FLT:0) חומרי ממשק קדמוניים (TIM): החלים 1 בינואר (ב) החלים מרוט תרמי באיכות גבוהה או כריות בין GTO לבין כיור חום כדי למזער התנגדות מגע.
  • (ב) ⁇ :0) ניטור טמפרל: 1FLT:1 Integrate armistor או thermocouple ליד לוחית המכשיר.לא ליישם מעגל השבתה המפרק את כונן השער אם הטמפרטורה עולה על סף בטוח (למשל, 110 מעלות צלזיוס).
  • (ב) ,0) ,5dating: 1 (אנ') , אופרות GTOs, ללא יותר מ 80% מהמתח הנוכחי והמתח שלהם, כדי לספק שולי בטיחות בתנאים הגרועים ביותר.

(ב) ויקרא י"א: "ה' א': "ה' א'" (ב) ל"ה' (ב"ב)" (בראשית כ"ד, כ"ד)

ביקורת: Safeguarding Against Faults

GTOs פגיעים לכישלונות עכשוויים, מסובכים וכשלונות dv/dt. יישום הגנה חזקה הוא תרגול הטוב ביותר:

  • (FLT:0) הגנה עכשווית: (FLT:1) השתמש במזג אוויר מהיר של סדרה עם GTO, בגודל כדי להפריע זרמים מעל דירוג הזינוק של המכשיר. לחלופין, השתמש במשנה נוכחי ומקביל כדי לגרום שער להיסגר בתוך מיקרו שניות.
  • (FLT:0) Overvoltage clamping:FreaLT:1 , Place a מתכת-oxide varistor (MOV) או מדכא מתח עוברי (TVS) על פני האוטובוס DC כדי להפיג את המתחים מקווי הכוח או לטעון.
  • (FLT:0) הגנה מפניה: FLT:1 הוסף סדרה קטנה (למשל, 1-10 μH) במסלול השבר כדי להגביל את שיעור השינוי של מתח מעבר ל- GTO במהלך הסבב.
  • (ב) [ה]ההגנה על התגברות: [ה]] תתחברו לדיודה זנר (למשל 20 V) בין שער וקטודה כדי למנוע מתח שער מופרז מפגיעה בשכבה ה- תחמוצת.

מלכודות נפוצות להימנע בעיצוב GTO

אפילו מהנדסים מנוסים יכולים להיתקל בבעיות בעת תכנון עם GTOs.המכשולים הבאים נצפות לעתים קרובות ויכולים להוביל לכישלונות שדה.

קיצור של שער הכניסה

אחת הטעויות הנפוצות ביותר אינה מספקת זרם שער שלילי מספיק עבור תפנית.כונן שער חלש עשוי להיכשל לחלץ את המטען המאוחסן לחלוטין, מה שגורם ל- GTO להישאר בהתנהלות (latch-up) או להיכנס למצב שבו הוא לא יכול לכבות עד טיפות הנוכחיות של השבר באופן טבעי.

נושא קשור נוסף הוא להסתמך על התנגדות שער אחד לשני בתורו והפך.שימוש בנתיבים נפרדים עם ערכים מנוגדים עצמאיים (נמוכים לסיבוב, גבוה יותר עבור תור-off) מספק ביצועים אופטימליים.

התעלמות מ-Stry Inductance in the Power Loop

לולאות מעבר גבוה (כולל GTO, DC אוטובוס capacitors, ו snubber) חייב להיות מינימלית אינדוקטיביים. חוטים ארוכים או עקבות PCB מעוצבים בצורה גרועה ליצור אינדוקציות טפילטיות אשר מתחדשות עם ה-Savber capacitors, ומייצרות טבעת מתח שיכולה לעלות על עקבותיה המקסימליים של GTO:0lution: sophalation: FLTment: FLTmenteralatoralus, ככל האפשר, או כבלים, כמו גם את ה-Fbriator, כמו גם את ה-Ferd, כמו גם את ה-Fertoator, כמו גם את ה-FLTerd, כמו גם את ה-FLTerd, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 רוחב, 000, 000 רוחב, 000, 000, 000

דוגמה מעשית: במערכת אוטובוס 1000 V DC, ניכוי של 100 nH בשילוב עם di / dt של 1000 A / מיקרו מייצרת עלייה מתח של 100 V, אשר מוסיף למתח האוטובוס ועלול לגרום לפירוק. השתמש בכלים סימולציה כמו SPICE כדי להעריך את החדירה.

אימוץ ניהול תרמי בעומס נמוך

באופן פרדוקסלי, GTOs יכול לחמם יתר בתנאי עומס נמוך אם תדירות המעבר גבוהה.הפסדים המעבר הם פרופורציה לתדירות המעבר, בעוד הפסדי התנהגות נמוכים יותר.התקררות של מחזורי חובה נמוכה עדיין יכול לגרום לטמפרטורות צומת לעלות.FLT:0 Solution: FLT:1 עיצוב המערכת התרמית עבור שילוב הגרוע של התנהגות והחלפת במהירות.

סיקור: Snubber Power Dissipation

מעצבים לעתים קרובות לחשב את ה-Fubber capacitance המבוסס על גבולות מתח, אך להתעלם מהכוח שנמנע מההתנגדות. עבור משב רוח קיבוליבית, המתנגדים מ- P=0.5 * C * V2 * V2 * בתדרים גבוהים, זה יכול להיות משמעותי. לדוגמה, 0.1F capacitor, 800 V, ו- 10 מעברים של תשואה של אובדן אנרגיה גדול או ריקבון (Fubrbsp)

שימוש ב-GTOs מעבר לאזור התפעול הבטוח שלהם (SOA)

GTOs יש אזור הפעלה מוטה לאחור (RBSOA) במהלך סיבוב-off. Exceed הזרם המקסימלי או המתח בתוך RBSOA יכול לגרום לכישלון הרסני.FLT:0Solution:FLT:1 תמיד להתייעץ עם גליון הנתונים של המכשיר עבור עקומת RBSOA ולהבטיח כי המעבר נשאר בתוך הגבולות.

שיקולים מתקדמים: נהיגה ב-GTO עם פיקוח מודרני

עם כניסת מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) ומערך השערים הניתנים לחיזוי שדה (FPGAs), בקרת כונן השער הפכה מתוחכמת יותר.יישום נהיגה בשער סגור (שם זרם השער מותאם בזמן אמת בהתבסס על זרם הרוד) יכול לשפר את ההחלפה של ביצועים ולהקטין את הלחץ.

התפתחות נוספת היא השימוש ב- SiC (silicon carbide) מנהלי שער עבור GTOs בתצורה היברידית. בעוד SiC MOSFET מחליפים GTOs בכמה יישומים, GTOs נשארים יעילים ברמות כוח גבוהות מאוד (למשל, <10MW) שילוב של GTO עם שער פעיל מבוסס SiC יכול להפחית את ההפסדים עד 30%.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בדיקה ואימות של כוח מבוסס GTO

לפני פריסת אספקת כוח GTO, בדיקות קפדניות הוא חיוני.

  • מבחן ה-FLT:0 (Double-pulse test: FIRLT:1) מאפיין את החלפת ההפסדים והאימות של ביצועי הכונן בשער בתנאים מבוקרים.
  • מבחן אופניים:0 (FLT:103) נושא ההרכבה לשינויים חוזרים בטמפרטורה כדי להבטיח אמינות של מפרקים מוכרים וממשקים תרמיים.
  • בדיקה קצרה: 0 (FLT:0) קיצור של Quick-circuit test: Verifies that Defense Circles (fuses, Gate Shutdown) פועל במהירות מספיק כדי למנוע נזק למכשיר.
  • (ב) ,0) בדיקות:0 (EMI: ⁇ : 1:1) מבטיח כי אספקת החשמל תתכנס ותקרין את גבולות הפליטה.

מסמך כל תוצאות הבדיקה והשימוש בהם כדי לחדד את העיצוב.טעות נפוצה היא לדלג על בדיקות ברמת הייצור ולהסתמך רק על סימולציות. אלמנטים טפילים בעולם האמיתי, כגון קיבולת דיודות נושר והשכלה בקווי שער, יכול לגרום לכשלים בלתי צפויים.

מגמות עתידיות: GTOS בנוף משנה

בעוד GTOs היו עבודת ההיברידי במשך עשרות שנים, הם מתמודדים עם תחרות של משחתים משולבים שער (IGCTs) ו insulated-gate דו קוטבי טרנזיסטורים (IGBTs) IGCTs, למשל, לשלב את כונן השער בחבילה דלת חינוך, המציעה מעבר מהיר ויעילות גבוהה יותר.

(ב) ,0) קישור חיצוני: 1FLT לסקירה בשוק של מוליכים למחצה בעלי עוצמה גבוהה, ראה:2Mouser Electronics Application Noteve 3

מסקנה

אולמות ה-Sle-Off ממשיכים לשרת תפקיד חיוני בעיצוב היצע כוח גבוה, המציע מעבר מבוקר בסביבות תובעניות. Adhering לשיטות הטובות ביותר בעיצוב כונן השער, יישום מעגלים עצביים, וניהול תרמי חיוני כדי להשיג ניתוח אמין. באותה מידה חשוב להימנע ממכשולים נפוצים כגון כונן שער לא מספיק, הזנחה שוטפת, והזנחה תרמית.