הבנה של GTO Thyristor Fundamentals

שער Turn-Off (GTO) Thyristors הם סוג של מכשירים חצי-מוליכים כוח המשלבים את הטיפול המהיר / גבוה-הווה של מחוקקים סטנדרטיים עם היכולת להיות כבוי על ידי דופק נוכחי שער שלילי.זה הופך אותם בעלי ערך ביישומים כגון דחף המנוע, מערכות מערכת הפעלה, חימום, ואספקה כוח לא-מפרק גדול.

לפני צלילה לפתרון בעיות, חיוני להבין את עקרונות התפעול של GTO.המכשיר יש שלושה מסופים: aode, Cathode, ואת השער. Conduction הוא יזם על ידי דופק נוכחי חיובי שער; התפנית מושגת על ידי יישום שער שלילי הנוכחי של amplitude מספיק ומשך כדי לחלץ מטען ראשוני מאזורי הבסיס.

עבור ראשי תיבות מקיף יותר על מבני GTO ומאפיינים, מתייחס להודעה של היישום (FLT:0) "Gate Turn-Off Thyristors: Basic Operation and Applications" 1 מתוך IXYS.

בעיות במעגל GTO וגורמים שורש

ניסיון שדה ומחקרי אמינות מזהים כמה מצבי כשל חוזרים במעגלי GTO.אלה לעתים קרובות ניתנים למעקב אחר קצב ההנעה, חסרונות מעגלים עצביים נושר, פערי ניהול תרמיים, או מתח חשמלי.

כישלון להסתובב

כאשר GTO אינו מחלחל להתנהלות למרות הדופק השער, שורש הגורם כמעט תמיד קשור לכונן השער.שער חיובי חסר ערך הנוכחי amplitude, רוחב הדופק לא מספיק, או מתח כונן שער מתחת לסף הנדרש יכול למנוע את המכשיר להגיע לזרם הנץ '.בנוסף, אם המתח aode-to-cathode הוא נמוך מדי (במתח הפוך נמוך מדי), המתח שצוין GTO יכול שלא להפעיל באופן אמין.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • מדד הדופק השער על אוקטילוסקופ: זרם שיא צריך לעמוד או לעלות על מינימום גליון הנתונים (בדרך כלל 2-10 A עבור כוח בינוני GTOs).
  • בדוק את רוחב הדופק: זה חייב להיות מספיק זמן כדי לאפשר את זרם הזעם לעלות מעל זרם הנצנץ לפני הדופק השער מסתיים.
  • בדוק כי תפוקה של הנהג השער נמוכה מספיק כדי לספק את הזרם הנדרש ללא ירידה בלחץ מתח מופרז.
  • מפרט משותףי מכרה או חיבורי שער מקודדים - אלה מציגים התנגדות שלוכדת את שער הנהיגה הנוכחי.

אם כונן השער בריא, לבדוק את GTO במעגל ידוע-טוב (או להחליף מכשיר ידוע-טוב) לבודד אם המחוקק עצמו הידרדר. A GTO, שאינו גורם אפילו עם כונן שער תקין עשוי להיות בעל מעגל קצר שער פנימי או פתוח.

כישלון להפוך

GTO שנשאר לבצע לאחר הסרת אות השער היא בעיה מורכבת יותר.כישלון הפוך מתרחש כאשר זרם השער שלילי אינו יכול להוציא מספיק מטען מאוחסן כדי להזיז את המכשיר, או כאשר מדרדרמנט המתח השבוי (dv/dt) גבוה מדי, גורם התחדשות.

מקור:0 (ב)

  • שער שלילי חסר ערך נוכחי amplitude או רוחב הדופק: רוב GTO דורשים זרם שלילי של 20-30% של זרם הזעם כבוי, עם משך של כמה מיקרו-שניות.
  • זמן אחסון מוגזם עקב טמפרטורה צומת גבוהה או anode נוכחי: זמן אחסון עולה עם טמפרטורה, צמצום הרווח ההפוך היעיל.
  • מעגל נוסטל: נחירות מעוצבת גרועה מאפשרת דינמי גבוה מעבר למכשיר לאחר ההמראה, אשר יכול לטעון את השער ולגרום לשיפוץ.
  • צומת השער המונזק: צומת דליפות עשוי למנוע הטיה שלילית יעילה.

כדי לפתור תקלות בתורו, לבחון את מתח גלימות השער עם בדיקה שונה במהלך המעבר הפוך- off.המתח השלילי צריך להיות נשמר לפחות רוחב הדופק המינימלי שצוין.בנוסף למתח השבר: אם הוא עולה מהר מדי (עומס / צמצם > מוגדר מקסימום), המעגל הנחובר אינו מספיק.

חימום יתר ו-Thermal Runaway

GTOs יש ירידה מתח גבוה יחסית (1.5-2.5 V בדירוג הנוכחי) בהשוואה IGBTs, המוביל לאובדן התנהגות משמעותי. כאשר בשילוב עם החלפת הפסדים, הניתוק הכולל יכול לעלות במהירות על היכולת התרמית של המכשיר אם קירור הוא לא מספיק.

(ב) ,0) ,מכירים של בעיות תרמיות:

  • טמפרטורת צומת עולה על 125 מעלות צלזיוס תחת עומס רגיל (מחושת בעקיפין באמצעות טמפרטורה והתנגדות תרמית).
  • הדליפה מוגברת הנוכחית בטמפרטורה גבוהה, אשר מעלה עוד הפסדים - מצב נופש תרמי קלאסי.
  • התרחבות והתכווצות גרימת עייפות חוט מגע או מפצח משותף מכר לאורך זמן.

(ב) ◄ ⁇

  • בדוק את החום הוא מותקן כראוי עם נזלת תרמית וכי זרימת האוויר היא ללא שינוי.אוויר או קירור נוזל הוא לעתים קרובות הכרחי ברמות כוח מעל 1 קילוואט.
  • מדדו את הטמפרטורה עם מצלמה תרמית או אינפרא אדום במהלך ניתוח עומס מלא.הטמפרטורה עולה ⁇ T = P × R ⁇ ja לא צריך לעלות על גבול העיצוב.
  • בדוק את תדירות המעבר: תדירות גבוהה יותר מגבירה את החלפת ההפסדים באופן חד-משמעי.אם שולי תרמי הוא חזק, להפחית את תדירות המעבר או ליישם טכניקות מכופות רכות.
  • השתמש מעגלים נוסטלר עם רכיבים נמוכים (למשל, סרט מתכת קפקאים, דידות התאוששות מהירה) כדי למזער אנרגיה מופרכת.

Dv/dt ו-DEPDIT

GTOs רגישים להפך כוזב אם מתח השבר עולה מהר מדי (גבוה dv / Dt) זה כי זרם עקירה זורם דרך הצומת לתוך השער, עלול לעלות על סף השער באופן פוטנציאלי, די גבוה / חת במהלך התורם יכול לגרום לקהל הנוכחי הנוכחי הנוכחי הנוכחי הנוכחי וכישלון נקודה חם.

(FLT:0) הגנה מפני ה- GTO:FLT:1 (עיגולים סנוברים) על פני GTO להגביל את שיעור עליית המתח.ערכים אופייניים: capacitor של 0.1-1 μF, התנגדות של 10 עד 100 ⁇ .

(FLT:0di/dt Protection:FLT:1 Turn-on di / Dt מוגבל על ידי כונן השער לעלות זמן והשכלה מעוות במעגל הגולגולת. סדרה קטנה (כמה מיקרונים) ניתן להוסיף בדרך הרוד כדי להגביל את הדי / הדט, אך אין צורך ליישב במהלך המעבר.

לקבלת טיפול מפורט בעיצוב של snubber, ראה את דוח היישום (FLT:0) "עיצוב מעגלי של Power Electronics" (Snubber Design for Power Electronics)"ראה 1 מטקסס מכשירים.

בעיות נוספות

בעוד ש snubbers הם מגן, הם יכולים להציג בעיות. a snubber עם capacitor משוחרר יכול לגרום זרם מברשת גבוהה כאשר GTO מופעל, פוטנציאל מעל דירוג di /dt של המכשיר. Resistor כישלון (פתוח או סחף ערך) יכול להפוך את החרוטב לא יעיל.de התאוששות הפוכה ב RCD snubbers יכול גם לגרום למתחים.

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • מדדו את המתח של scilloscope הנוצר עם אוקטיקוסקופ: זה לא צריך לעלות על המתח הדירוג של המכשיר במהלך טראנסים.
  • בדוק כי התנגדות הננובר אינו מרוסן או מדידת מחוץ לסובלנותו - כישלון משותף ב snubbers בשכבות גבוהות.
  • ודא כי diode snubber יש התאוששות מהירה (trr < 100 ns) והוא מכוון כראוי.

טכניקות אבחון וכלי מדידה

פתרון בעיות יעיל מבוסס על הכלים הנכונים ומתודולוגיה.מעבר בדיקות מרובותמטר בסיסיות, מדידות אוקטילוסקופ ותרמוגרפיה הם חיוניים עבור מעגלים GTO.

מדדי אוקסילוסקופ

השתמש ב- 4 ערוצים דיגיטליים אוקטילוסקופ עם בדיקות שונות ובדיקות הנוכחיות. אותות מרכזיים כדי להתבונן:

  • (FLT:0)Gate-to-cathode מתח:BuildFLT:1 צריך להראות דופק חיובי (10–20 V) עבור Turn-on ו הדופק שלילי (- 5 עד 10 V) עבור Turn-off.
  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Anode-to-cathode מתח:03FLT:1 , Monitor עבור ספיגות overvoltage (exceedדירוג VDRM/VRRM) ו- dv/dt rate.
  • (ב) ,0) ,Anode Current:FLT 1 (הבדיקה של דיבלט/דאטה מופרזת (יותר מ -100 A/μs עלולה לגרום לכישלון נקודות חם).

Thermography

מצלמות לא רצויות הן בלתי הולמות עבור איתור כתמים חמים על תנורי חום, צרבים, ורכיבי נחירות. תמונה תרמית שנלקחה תחת עומס יכולה לחשוף ממשקים תרמיים לא אחידים, או רכיבים הפועלים מעבר לדירוג שלהם. לשים לב לטמפרטורה ⁇ s על פני המקרה GTO - ⁇ גדול עשוי להצביע על השפלה פנימית.

בדיקת נהגי שער

אם המעגל GTO נכשל באופן בלתי עקבי, מבודד את נהג השער.עם מסוף השער מנותק, השתמש אוקטילוסקופ כדי לאמת את הפלט של הנהג לתוך עומס התנגדות דומי (למשל, 10 ⁇ ).

  • עלייה ונפילה פעמים (צריך להיות < 1 μs עבור ביצועים טובים בתורו).
  • יציבות נשגבת תחת עומס - חוסר יכולת להתפרק בגלל אספקת חשמל לא מספקת.
  • בידוד גליוני (בדרך כלל באמצעות מהפך הדופק או או Optocoupler) כדי למנוע לולאות קרקע.

ניהול יעיל של Design Best Practices

ניתן להימנע מפגמים רבים בשלב העיצוב.ההנחיות הבאות חלות על עיצובי מעגלים חדשים של GTO או כאשר הם ממריצים מערכות ישנות יותר.

עיצוב נהג שער

  • השתמש בנהג שער ייעודי IC או זוג טרנזיסטור דיסקרטי המסוגל לספק 15-20 A שיא חיובי ושלילי זרם עבור כוח בינוני GTOs.
  • כולל התנגדות שער להגביל את שיא תנודות נוכחיות ולחות.ערכים אופייניים נעים בין 1 ל 10 ⁇ .
  • לספק מתח הטיה שלילית של שער (למשל, 5 V) במהלך המדינה הקרובה כדי לשפר את חסינות הרעש ולהקטין את העיכוב.
  • הוסף מעגל clamp כדי למנוע מתח שער מעל הדירוג המקסימלי (בדרך כלל ±20 V).

עיצוב מעגל Snubber

  • השתמש ב-RC snubber ברחבי GTO עבור דיכוי dv / dt: C = I load / (dV /dt max × V dc) לדוגמה, 500 A עומס, 500 V אוטובוס, dV / dV Dt max = 500 V / מיקרוגרם 2 μF.
  • לקבלת יעילות גבוהה יותר, השתמש ב- RCD snubber עם דיודה מהירה כדי להסיט את האנרגיה הנחובר בחזרה לאספקה או לזרוק אותה בהתנגדות.
  • מיקום רכיבים עצביים פיזית ככל האפשר למסוף GTO כדי למזער אינדוקציה parasitic.

ניהול ארס

  • בחר חום עם התנגדות תרמית R ⁇ sa נמוך מספיק כדי לשמור על טמפרטורת צומת מתחת 125 מעלות צלזיוס על מקסימום ambient. A כלל טיפוסי: R ⁇ ja= R ⁇ jc + R ⁇ cs + R ⁇ sa ⁇ (Tj max − Ta) / P total.
  • השתמש בחומרי ממשק תרמי עם מוליכות גבוהה (pad או grease).
  • שקול צינורות חום או קירור נוזלי עבור רמות כוח מעל 5 קילוואט.

המונחים: Voltage Derating

כדי לשפר את האמינות, להפעיל את GTO לא יותר מ 80% מהמתח הדירוג שלה ו-70% מהזרם הדירוג שלה.זה מספק שולי עבור טראנסים וריאציות טמפרטורה. עבור יישומים מעורבים עומסים תכופים, להשתמש במכשיר מדורג לפחות 1.5× הפסגות הצפויות הנוכחי.

פתרון Flowchart

עבור אבחון שיטתי, בצע את הזרמת הנפש הזו:

  1. (ב) ,0) ,אובב: "התב" (ב)"התעלם מסימפטומים: לא תכבה, לא תכבה, לא תמהרה, לא תתבטל או תכשל בקוצר/פתח.
  2. (ב) ⁇ :0) ,Gate Drive Checkve: FLT:1 Measure Gate איתות עם אוקטילוסקופ.
  3. (ב) אם ה-FLT:0) ,0 (Snubber Check: אם הפיכה לא תצליח או dv/dt היא גבוהה, בדיקת רכיבי נחירות; להחליף אם לא מתוך ספקטרום.
  4. (ב) עיין:0 (התרמל): טמפרטורות מקרה 1:1 מדד לפי עומס: אם <100 מעלות צלזיוס, שיפור קירור או צמצום הפסדים.
  5. (ב) ⁇ :0) החלפת: 1FLT 1lorp את ה- GTO עם יחידה ידועה-טובה.
  6. (ב) ,0 System Review:03: ⁇ 1) בדוק עבור חינוך פרציטי, לולאות קרקע או שליטה בבעיות תזמון.

שיקולים חלופיים ותיקון

בעת החלפת GTO הכושל, תמיד לחקור את שורש הסיבה כדי למנוע תקלות חוזרות. להסיר את המכשיר נכשל בזהירות - GTOs מעובדים עשויים להיות מעגלים קצרים פנימיים שיכולים לפגוע בציוד הבדיקה. לנקות את פני השטח תנור חום וליישם תרכובת תרמית טרי.בדוק כי החלפת מתאים את המספר המקורי או תחליף מאושר עם דירוגים מקבילים או טובים יותר.

עבור מערכות שבהן GTOs הופסקו (המוגן עבור כוננים מתחים ישנים יותר), לשקול שדרוג למודולים המודרניים IGBT או IGCT המציעים יעילות גבוהה יותר ופשטות נהיגה טובה יותר של שער.חפשו הערות יישום של יצרנים כמו ABB או Mitsubishi עבור תאימות.

מסקנה

פתרון מוצלח של מעגלי GTO Thyristor דורש תפיסה מוצקה של המנגנוני הסבב וההיפוף של המכשיר, שימוש זהיר בכלים אבחון, ותשומת לב לכונן השער, לנחבר ולעיצוב תרמי.על ידי חיסול באופן שיטתי גורמים אפשריים - החל מהכונן השער, ולאחר מכן נחירות, ולאחר מכן את המכשיר עצמו - גורמים יכולים לבודד ולתקן תקלות עם מינימום למטה, כולל ניתוח אנרגיה סדירה, כולל מערכת הדמיה של GTO, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, ולאחר מכן, לאחר מכן, ולאחר מכן, לאחר מכן, ולאחר מכן, ולאחר מכן, ולאחר מכן, ולאחר מכן, ולאחר מכן, ניתוח הדמיה רגילה של מערכות הדמיה סטנדרטית של מערכת הפעלה סטנדרטית של מערכת הפעלה גמישה של מערכת הפעלה גמישה של מערכת הפעלה.

לקריאה נוספת על נתוני אמינות GTO וניתוח כשל, המאמר אלקטרוניקה:0 (Power Electronics מאמר על אמינות GTOIRFLT:1 מספק נתונים סטטיסטיים שדה יקר ערך בנוסף, ® Semikron'sFLT:2application Note on GTO תרמי ניהול GTO תרמית ניהול GTO LT 3 מציע נהלי חישוב מפורטים.