תפקיד השער Turn-Off Thyristors in Modern Power Electronics

אלקטרוניקה כוח הפך עמוד השדרה של המרת אנרגיה יעילה, בקרה מוטורית וניהול רשת. בין מתגי המוליכים למחצה המאפשרים מערכות אלה, השער Turn-Off (GTO) Thyristor עומד על היכולת הייחודית שלו להפריע באופן פעיל זרמים גבוהים באמצעות אות שער.בניגוד לתקני בקרה מבוקרים סטנדרטיים (SCR) אשר יכולים רק להיות כבוי כאשר הזרם נופל מתחת לרמה, מציעה דרישות הפעלה מלאות כגון GTO, הפעלת חשמל ישירות, ויישומים חיוניים (GTO) אשר מאפשר קידוד) אשר מאפשר קיבולת הפעלה מלאה, החלים).

מה זה GTO Thyristor? Structure and Work Principle

מכשיר GTO thyristor הוא ארבעה שכבות (p-n-p-n) Semiconductor עם שלושה מסופים: aode, Cathode, ושער.מבנה הפנימי שלו דומה ל- Yourristor קונבנציונלי אבל עם הבדל מפתח - ה- Cathode מתפצל ל-1,000 תאים מקבילים, כל אחד עם חיבור שער משלו.

תכונות מפתח ואפיון

GTOs נועדו להחלפת כוח גבוהה שבו מכשירים אחרים יסבלו הפסדים מופרזים או להיכשל.

  • (ב) שליטה מלאה:0 (ב) שליטה ישירה בשער מלא והפך, בניגוד ל-SCRs כי רק עוברים דרך שער.
  • (FLT:0) מתח גבוה ודירוגים נוכחיים:FLT:1ir זמין מסחרית GTOs יכול להתמודד עם עד 6 kV anode-to-cathode מתח וכמה אלפי אמפריים. חלק מהמודולים של ה-pack של העיתונות מדורגים עבור 4.5 kV / 3000 A.
  • (FLT:0) מעבר תחת כוח גבוה:FLT:1 פעמים הפוך בטווח של 10-30 מיקרומטרים לאפשר החלפת תדרים עד כמה מאות הרץ, אשר מספיק עבור יישומים רבים קו-מוגדרים ואולצים.
  • (FLT:0)Low on-state Stress טיפות:FearLT:1 בדרך כלל 1.5-2.5 V מדורג הנוכחי, וכתוצאה מכך הפסדים התנהגות נמוכה יותר מאשר IGBTs במקרים מסוימים של פעילות גופנית.
  • (FLT:0) תלות מלאה:FLT:1 כדי לכבות בבטחה זרמים גבוהים, GTOs דורש מעגל של חלוף (RCD) המגביל את שיעור העלייה של מתח אודה (dv/dt) ו סופג אנרגיה מן העומס תוך מעבר לטראנסנטים.

מאפיינים אלה הופכים את GTOs מתאים היטב עבור בינוני- ⁇ (עד 500 הרץ) יישומים בעלי עוצמה גבוהה שבו היתרון היעילות של אובדן התנהגות נמוך עולה על המורכבות הנוספת של נחירות וכוננים שער.

השפעות של GTO Thyristors במעגלים מודרניים

מנועים וטרקציה

אחת התרומות המשמעותיות ביותר של GTO thyristors היא במערכת חשמלית - כבישים, חשמליות, קטרים, אוטובוסים חשמליים. in Vari-voltage, Vari- ⁇ (VVVVF) מופנים, GTOs להתמודד עם זרמי ההתחלה הגבוהים וחדשניים מחדש של כוח גירוד אופייני ליישומים רכבת.

High-Voltage Direct Current (HVDC) Transmission

שסתום GTO כבר בשימוש בתחנות המרת HVDC כדי ליישם מתח מקורם (VSC) למרות מערכות VSC-HVDC מודרניות יותר ויותר להשתמש ב- דו קוטביות דו קוטביות (IGs), GTOs היו המכשירים הראשונים המאפשרים הפעלה עצמית ממוקדת ב- HVDC, מתן יכולת שחורה-start ובקרת עצמאית של כוח פעיל ופעיל שלהם מחדש.

כוח מנבא ומינוף תעשייתי

אספקת כוח DC גבוהה לאלקטרוליטיזה, חימום אינדוקציה, וקשת שימוש ב- GTOs כדי להסדיר את מתח התפוקה ואת הזרם.המכשירים יכולים להיות מחסנים מקבילים של סדרות כדי לענות על כל מתח או דרישה נוכחית.הפסדי ההתנהגות הנמוכים שלהם לשפר את יעילות המערכת הכוללת, בעוד מעגלים עצביים החרוטבר להבטיח הפעלה בטוחה אפילו בתנאים אשם.

שילוב אנרגיה מתחדשת ושילוב אנרגיה מתחדשת

ביישומים איכותיים של כוח, GTO מבוססי קידוד סטטי (STATCOM) לספק תמיכה מהירה כוח תגובתי.למרות IGBTs עכשיו לשלוט במרחב הזה, מתקנים מורשת רבים (למשל, בסין והודו) ממשיכים לפעול עם מעכבי GTO.As שמש ורוח גדל, היכולת לשלוט מתח רשת ו transeients נשאר קריטי שבו יש צורך GTO עדיין תפקיד גבוה מאוד.

יתרונות GTO בפירוט

  • (FLT:0) קידום מעבר ורעש נמוך: FIRLT:1 כי GTOs ניתן לכבות על פיקוד, מעצבי מערכת נמנעים מנסיעה בלתי צפויה של SCRs. זה מקטין את ההתערבות האלקטרומגנטית (EMI) ורעש גלוי בכוננים מוטוריים.
  • יעילות גבוהה יותר בנקודות הפעלה מסוימות:FearLT:1 בזרמים גבוהים, הירידה המתח קדימה של GTO היא לעתים קרובות נמוך יותר מאשר דירוג IGBT עם אותו דירוג מתח, המוביל להפחתה פחות חום.ביישומים כמו מתיחות שבו המופרך פועל בעומס גבוה עבור תקופות ארוכות, יעילות זו מתורגמת לחיסכון באנרגיה ודרישות קירור מופחתות.
  • (FLT:0)Compact designmia:FLT:1 מודול GTO יחיד יכול להחליף מספר רב של IGBT במערכות כוח גבוהות מאוד, לפשט את הקווירים והשערים.אריזות גם מאפשר קירור חד-צדדי, עוד צמצום טביעת הרגל.
  • (FLT:0) רובוטות נגד הגוויות: GTOs יש קיבול תרמי גבוה ויכול לעמוד בעומסים הנוכחיים משמעותיים למשך זמן קצר, מה שהופך אותם יותר יציבים במהלך אירועים פגומים מאשר כמה IGBT מודולים.

אתגרים ומגבלות

  • דרישות הכונן השער המסובכת: FLT:1 הזרם השער השלילי של תפנית יכול להיות גבוה כמו שליש של זרם הזעם.זה דורש נהג שער גדול, נמוך עם מעגלי התאוששות אנרגיה.הנהג עצמו הופך להיות חלק משמעותי של עלות המערכת וגודל.
  • (FLT:0) אובדן מעגל ומורכבות המעגל: ההרחבה 1 (הפסקון) לא רק מוסיף רכיבים (דיודה, התנגדות, capacitor) אלא גם מקטין את הכוח ביחס לתדירות.בהחלפת תדרים גבוהים יותר, אובדן נחירות הופך בלתי מתקבל על הדעת, מגביל את GTOs מתחת ל-500 הרץ בפועל.
  • (FLT:0Switching תדירות מגבלות:FLT:1ir בעוד GTOs יכול לעבור מהר יותר מ SCRs, הם לא יכולים להתחרות עם IGBT מודרני (אשר יכול לעבור 10 kHz במודולים בעלי כוח נמוך 2-5 k במודולים גבוהים).זה מגביל יישומי GTO אלה שבהם תדירות נמוכה היא מקובלת.
  • (FLT:0) Cost:BuildFLT:1 , מודולים GTO יקרים יותר מ- SCR שווה ערך, ואת תוספת snubber והובלת מעגלים עוד עולה מערכת.עבור עיצובים חדשים רבים, IGBTs או MOSFET נלקחו על ידי נסיעה פשוטה יותר שער ועלות מערכת כוללת נמוכה יותר.
  • (FLT:0) שוק ותמיכה: יצרני המוליכים למחצה של מייג'ור 1 (היצרנים הגדולים של המוליכים למחצה) הפנו את המיקוד ל-IGBTs ו-SEC. GTOs מיוצרים כעת בעיקר על ידי מספר חברות (למשל, ABB, Infineon וכמה יצרנים סינים), והשגת חלקי חילוף עבור מערכות מורשת יכולה להיות מאתגרת.

השוואה עם Power Switches

כדי להבין את מקומו של GTO במעגלים מודרניים, זה עוזר להשוות אותו עם טכנולוגיות מתחרות:

Parameter GTO IGBT SCR MOSFET (Si/SiC)
Voltage rating Up to 6 kV Up to 6.5 kV Up to 12 kV Up to 1.2 kV (Si) / 3.3 kV (SiC)
Current rating Thousands of amperes Hundreds of amperes (modules) Thousands of amperes Tens to hundreds of amperes
Switching frequency Up to 500 Hz Up to 20 kHz (low voltage) Line frequency only Up to 100 kHz+ (SiC)
Gate drive complexity High (positive and negative current) Moderate (voltage controlled) Low (only turn-on pulse) Low (voltage controlled)
Snubber requirement Essential (dv/dt snubber) Often not required Only for dI/dt Minimal
Conduction losses (at rated I) Low (1.5–2.5 V drop) Moderate (2–4 V drop) Low (1–2 V drop) High (ohmic RDS on)
Market availability Niche Widely available Widely available Widely available (Si) / growing (SiC)

השוואה זו מראה כי GTOs לכבוש אזור מסוים: מתח גבוה מאוד / הנוכחי עם תדירות מעבר מתון. עבור עיצובים חדשים, IGBTs החליפו בעיקר GTOs במתח וכוננים תעשייתיים בגלל כונן שער פשוט יותר שלהם ויכולת מעבר גבוהה יותר. עם זאת, עבור רמות כוח קיצוניות (למשל, 50+ MVA) שבו מספר IGBTs מקבילים הופך לא מעשי, GTO עדיין פתרון בר קיימא.

תחזיות עתידיות ומגמות טכנולוגיות

מחקר ב- GTO thyristors ממשיך בשני הכיוונים עיקריים: שיפורים חומריים ואופטימיזציה מבנית. רחב-bandgap Semiconductors כגון סיליקון carbide (SiC) ו-Giaium nitride (GaN) נחקרו כדי ליצור מתגים דמויי GTO עם הפסדים נמוכים יותר וקיבולת טמפרטורה גבוהה יותר.

אזור אחר הוא שילוב של GTOs עם אריזה מתקדמת וקירור.ד.חבילה טכנולוגיה מבטיחה פירוק חום חד-צדדי וחיסול חוטי האג"ח, שיפור האמינות תחת רכיבה תרמית. יצרנים גם לפתח מעגלים משולבים שער המפחיתים את הגודל והעלות של ממשק הבקרה.

בטווח הקרוב, GTOs יהיה ככל הנראה coexist עם IGBTs ו SiC MOSFET. שלהם ⁇ את היכולת הנוכחית של הגדילה גבוהה להפוך אותם אטרקטיביים עבור יישומים כמו IGBTLT:0grid-tied invertersuaFLT:1 ו crowbars.

שיטות טובות ביותר עבור עיצוב עם GTO Thyristors

כאשר משלבים את GTOs לתוך מעגל, כמה שיקולים עיצוביים הם קריטיים:

  • (FLT:0) עיצוב כונן כונן: 1.FLT:1 זרם השער שלילי חייב להיות מועבר עם אינדוקציה נמוכה ועלייה מהירה זמן. שחזור אנרגיה או מעגלים clamping יכול להפחית את הניתוק כוח.הכונן השער חייב גם לספק בידוד חשמלי עבור מכשירים בצד גבוה.
  • (FLT:0) snubber sizing:FreaLT:1) , בתורו-off snubber capacitor צריך להגביל dv / dt את הערך שצוין (בדרך כלל 200-500 V / מיקרו) המתנגד חייב לספוג את האנרגיה המאוחסן ללא חימום יתר. חלק מהעיצובים משתמשים ב snubbers שאינם רגישים עם התאוששות אנרגיה לשיפור יעילות.
  • (FLT:0) ניהול רב-החל: 1FLT גם עם מתח התנהגות נמוך, אובדן הכוח הממוצע בזרם גבוה יכול להיות משמעותי.חום תקין או קירור נוזלי נדרש, במיוחד במודולים של העיתונות שבו אימפולס תרמי נמוך.
  • (FLT:0)Parallel ו-סדרה המבצע: FIRLT:1 כאשר מחסנים GTO למתח גבוה יותר או נוכחי, תשומת לב זהירה לשיתוף סטטי ודינמי נדרש.שער מתנגדים ונחירות חייב להיות תואמים, ואת הפריסה פיזית חייב להיות סימטרי כדי למנוע הפצה לא אחידה.
  • מעגלים של תפוצה:0 (FLT:1) מעבר לסיבוב ועיגולים crowbar חייב לפעול בתוך יכולת הנוכחית של המכשיר (בדרך כלל מספר פעמים מדורג הנוכחי עבור כמה אלפי שניות).

מסקנה

אולמות ה-Saterisators של שער אינם יכולים עוד לשלוט בכותרות באלקטרוניקה, אך תרומתם למעגלים מודרניים אינה ניתנת להכחשה.הם אפשרו לדור הראשון של מופנים מאולץים למתח ול-HVDC, מה שמוכיח כי מכשיר מוליכים למחצה יחיד יכול לשלוט במגוון המגוואט עם יעילות סבירה.

(ב) עיין במדריך ה-GTO YourristorsFLT:1 ו-FLT:2ABB GTO GTO.