שחר הטכנולוגיה של Thyristor: Silicon Controlled Rectifiers

מנגנוני בקרה של הסיליקון, הידועים בכינוי SCR, מייצגים את בלוק הבניין הבסיסי של אלקטרוניקה מודרנית של חשמל חשמל, אשר הציגה באופן מסחרי על ידי הגנרל אלקטריק בסוף שנות החמישים, אלה ארבעה שכבות, שלושה מכשירים חצילים למחצה של צומת היו היישום המעשי הראשון של זרם חסימת סף (SCR) אשר הפך את הדופק הראשי של מערכת ההפעלה הנוכחית, ו-SCRDOS, עם שער פשוט פתח אפשרויות חדשות בשליטה על גבי מנוע תעשייתי, תאורה, וספקית, התקנה של כוח.

מבנה והפעלה של עקרון

החלקה של SCR מגלה מבנה של ארבעה-layer P-N-P-N-N-N-P-N שפועל כמו שני טרנזיסטורים מחוברים - NPN ו- PNP transistor. כאשר זרם שער חיובי מוזרק, ה-NPN transistor פונה, אשר בתורו מניע את ה- PNP Transistor להתנהלות.

יישומים מוקדמים והשפעה

כניסתם של SCRs מהפכה בשליטה תעשייתית.לפני הפיתוח שלהם, כוח AC גדול היה מוסדר עם כורים בלתי יעילים נשפים או קבוצות מוטוריות רב-מנועיות של SCR מבוסס-שלבים אשר אפשרו התאמה מדויקת של מתח DC על ידי שינוי זווית הירי של הדופק השער.ה זו אפשרה את מנוע DC המהיר הראשון בעל כוח-עוצמה גבוהה, אשר הפך חיוני במשט, 000, 000, ו- SCR, כמו גם, 000, 000, 000, 000 מוקדם יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מוקדם יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מוקדם יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מוקדם יותר, 000 מוקדם יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מוקדם יותר, 000 מוקדם יותר, 000 מוקדם יותר, 000 מוקדם יותר, 000.

הגבלות חמורות של SCR

בעוד ש-SCR היה קפיצת ענק קדימה, המגבלות התפעוליות שלה דחפו את החיפוש אחר עיצובים משופרים של Thyristor.המגבלה המשמעותית ביותר היא ש-SCR יכול רק להיות כבוי על ידי צמצום הזרם הראשי מתחת לזרם ההחזקה שלו או על ידי אילץ את הזרם ל-אפס - תהליך שנקרא השהות. במעגל DC, זה דורש מעגל חיצוני, תוספת מורכבות, עלות, והפסדים עיקריים של שלוש קטגוריות של מגבלות לכאורה.

אתגרים מכניים נפוצים

במעגלים AC שבהם הזרם חוצה את אפס, הנסיעות הן פשוטות.עם זאת, במעגלים DC, מהנדסים היו צריכים לתכנן מעגלי טיס בכפייה באמצעות קיבולים, מחנכים, ו-Aducy thyristors כדי להפריע לזרם.העיגולים האלה היו גדולים, לא יעילים, ולהגדיל את משקל המערכת. עבור יישומים גבוהים, הזמן הנדרש כדי לכבות את SCR (זמן ההפוך) כמה שיותר למגבלות של יכולת הפעלה של SCR.

הגבלות בקרת שער

מגבלה נוספת גדולה היא שהשער יכול רק להתחיל לבצע - זה לא יכול לכבות אותו.חוסר של היפוך מבוקר שער פירושו שכל מצב של אשמה, כגון מעגל קצר, לא יכול להיות ברור על ידי הנהג השער.הגנה על פתיחות במהירות או שוברי מעגלים, אשר הוסיף עלות ואמינות מופחתת.

עקבו אחרי Speed Constraints

תהליך החיתוך מחדש, בעודו חזק, הוא איטי מטבעו של הזמן בתורו עבור SCR סטנדרטי הוא בדרך כלל 1-10 מיקרו-שניות, ואת הזמן הפוך (זמן התאוששות הפוכה) יכול להיות עד 50 שניות. אלה מעבר איטי מהירויות להגביל את תדירות ההפעלה המקסימלית של פחות מ 1- 10 הרץ ברוב המעגלים המעשיים. בעוד גירסאות מהירות יותר כגון היפוך השער (GA) עדיין לא יכלו להפוך את הפונקציונליות הקדמיות שלך.

The Gate Turn-Off (GTO) Thyristor: A Step Forward

התפתחותו של שער הסגירה-Off Thyristor בסוף שנות ה-70 התייחסה למגבלה הקריטית ביותר של ה-SCR. A GTO Thyristor ניתן לכבות על ידי יישום דופק שער הפוך, מה שהופך אותו מתג בעל שליטה מלאה - מתג אמיתי: אמיתי FLT:0gate-up-off-off-off-off-off-FLT:1 ה- GTO המסחרי הראשון הופיע בתחילת 1980s כמו Hitachi ו-A-A-A-R-R-i-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-R-RepLT-R-R-R-R-R-R-R-Re

מבנה והפך ל-Off Mechanism

GTO שומרת על מבנה ה-PNPN של Thyristor הבסיסי, אך עם שינויים משמעותיים כדי לאפשר להפוך את השכבה N-emitter מופרש לאיים בודדים רבים של קטואדה, כל אחד מוקף באזור השער.גאומטריה זו מפחיתה את אפקט האריזה הנשגב ומאפשרת את השער להוציא זרם מ- GTO בשלב זה, כאשר שער שלילי מוחל, הוא מסיט את נושאת המיעוטים מ- 1/5n בדרך כלל, הוא אתגר זה, 000 נדרש כדי להפוך את השער ההפוך את ה-ה לאחור של מנוע ה-הט הנוכחי.

יתרונות מעל SCR

  • (FLT:0) בקרת שער מלאה: 1FLT:1 שניהם פנו-on ו-Turn-off הם יזמו על ידי אות השער, ביטול הצורך במעגלי נסיעה בכפייה ביישומים DC.
  • (ב) ⁇ (ב"ג) ⁇ (ב"ג) ⁇ ) ⁇ (ב"ג)) ניתן לפעול בתדרים עד כמה קילורנץ, בהשוואה לכמה מאות הרץ עבור SCR סטנדרטי.
  • (ב) [ה]ההסברה: [ה]], [ה], [ה],] , [ה],] ,[ה], [ה],] , [ה]], [ה], [ה], [ה],] אִם [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'ה'[ה']']']''[ה']']''[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה']']']']'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה
  • (ב) ,0) גודל מערכת ממוחזר ומשקל: FIRLT:1 ללא מעגליות חיצונית, מופנם וקובעים הפכו קומפקטיים יותר.
  • יעילות מוכחת:0 (Imroved יעילות:FLT:1 GTOs שמרו על ירידה נמוכה של מתח על המדינה (בדרך כלל 1.5–3 V) בדומה ל-SCRs, תוך מתן ביצועים דינמיים טובים יותר.

תגיות GTO Thyristors

GTOs הפך למכשיר של בחירה עבור חומרים בעלי עוצמה גבוהה (VSIs) בשימוש במסילות רכבת, כונן מוטורי תעשייתי גדול, ו- VAR קומנדר קומפלקסטורים מערכת המטרו טוקיו, רכבות מהירות אירופיות, ופריצים רבים כרייה שהוחזקו על רמות שליטה גבוהה של GTO-Vinterens שלהם בשנות ה-80 וה-90. GTOs אפשרו גם את הפיתוח של זרם של LTpHDR גבוה יותר (RVt) למרות שמאוחר יותר על ידי Gvt זרם החשמל של GTO-HVt זרם GTO (GVt זרם זרם GTO) על ידי GTO-HBUVt זרם GTO-HBUVt זרם DVt) על ידי GTO-HDR-HDR-HDR-HBVt זרם זרם זרם זרם זרם גבוה יותר (R) שלהם היה גבוה יותר, למרות שבסיסו-HBVtrvDVinted) על ידי GTO-Hubt) על ידי GTO-HDRVinterens (RVinterens (GVinterens) על ידי GTO-HBVinted) על ידי GTO-HDR-HDR-HDRVinterens

חידושים נוספים: מ-GTO ועד ל-Taristors

בהכירה בדרישות השער הגבוהות של GTO, החוקרים פיתחו כמה מבנים משופרים של Thyristor בשנות ה-90 ובתחילת שנות ה-2000.המכשירים האלה נועדו לשלב את ההפסדים המוליכים הנמוכים של המקטור עם בקרת שער פשוטה, נמוכה של כוח אדם טרנסיסטור.

TheIntegrated Gate Commutated Thyristor (IGCT)

IGCT, שהוצג על ידי ABB בשנת 1997, שילב את השבב GTO עם מעגל כונן שער נמוך של אלקטרוניקה באמצעות חבילה אחת.החדשנות העיקרית הייתה לעלות את הנהג השער קרוב ככל האפשר אל המסטר ולהשתמש דופק נוכחי גבוה מאוד (עד 4 kV כוח על מכשיר 4 kV) כדי להשיג אחידה בתורו.

The Emitter Turn-Off (ETO) Thyristor

ה- ETO thyristor, שפותחה במכון פוליטכני של וירג'יניה ואוניברסיטת המדינה, משתמשת ב-MoaMoa transistor כדי לקצר את הפלט של GTO במהלך סיבוב.הסדר הזה מקטין את הדרישה הנוכחית של שער ה-Turn-off לאות שער קטן (כמה תנודות במיקרו-Famperes) תוך שמירה על הפחתת המדינה הנמוכה של Thyrists.

The MOS-Controlled Thyristor (MCT)

MCT, שפותח על ידי הגנרל אלקטריק ואחרים בסוף שנות השמונים, משלב שני transistors של MOS (אחד N-ערוצי ואחד P-ערוץ) לתוך מבנה Thyristor כדי לספק את קצה מבוקר השער והפך- off. An MCT מופעל על ידי יישום מתח חיובי אל השער והפך על ידי מתח שלילי.

עלייתו של השער האינטנסיביים והמעבר

בעוד שאנשי חג המולד מתקדמים המשיכו להתפתח, השער האינטנסיטור הדו קוטבי (IGBT) צמחו כמוליכים למחצה הדומיננטיים של כוח משנות ה-90 ואילך.ה-IGBT משלב את השער הגבוה, שער מבוקר מתח של מאקסאט עם המתח הניע הנמוך של טרנסטור דו קוטבי, המציע נסיעה פשוטה יותר מאשר GTO ומהיר יותר מאשר מטקס.

IGBTs ותפקידם

IGBTs משמשים כיום כמעט בכל יישומי חשמל מתחת 3.3 kV ורמות כוח בינוניות (עד כמה מכשירים מגה-וואט) הם שולטים בכוננים של כלי רכב חשמליים, מופנים סולאריים, ורוב הכוננים התעשייתיים.מודולים IGBT מודרניים משלבים שבבים מרובים עם דיודות משולבות בחבילה אחת, השגת זרמים מעל 3000 A וחוסמת מתחים עד 6.5V, IGBT יש מתח גבוה יותר מאשר טרה-C כרגע, במיוחד, במיוחד, כגון רמות גבוהות יותר מאשר טרה-Hicular שלך, במיוחד, כגון זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר ב-HS, כגון HCR, כגון HCR, כגון זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר ב-Hicular שלך, 000 ARM גבוה יותר, עבור זרם גבוה יותר מאשר ב-Hicular שלך, כגון זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר ב-Hicular שלך, 000 ARM גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר זרם גבוה יותר מאשר ב-Hicular שלך, 000 ARM גבוה יותר מאשר , 000 ARM גבוה יותר מאשר , 000 A וחוסן

השוואה עם Thyristors

כאשר השוואת IGBTs ל- Thyristors, ה- Tradingoff הוא בעיקר בין אובדן המדינה לבין מהירות המעבר. Thyristors לשמור על ירידה נוספת קדימה כי הם פועלים בשקע עמוק בשל הזרקת נושאות מיעוט. IGBTs, לעומת זאת, יש ירידה מתח כי עולה עם צפיפות הנוכחית. עבור מכשיר 4.5 kV המועדף, IGCT עשוי להיות ירידה של 1.52, בעוד IGB יכול להיות תרגם 1 2.

חומרים מודרניים: Silicon Carbide וגליום ניליד Thyristors

הגל הבא של האבולוציה בטכנולוגיית Thyristor מונע על ידי מוליכים למחצה רחבים של להקות, במיוחד (FLT:0 silicon carbide (SiC) להמיר יישומים (SiC) ו- SiC ETOs (ה-SiC) יכולים לפעול גם עם רמות יעילות של מעל 20 kV והפעלה מעל 300 מעלות צלזיוס, כולל SiC של פעילות גופנית (C) של פעילות גופנית (S) של C-i-i-i-i-i-i-i-i-R) ל-i-i-RDC) מאפשרת לחץ גבוה יותר מ-RDC עבור מתח גבוה יותר מ-RDC עבור טווח גבוה יותר של פעילות גופנית, לעומת C-RDC עבור טווח פתוח יותר, כאשר הם מעל 20 kV-RDC (RDC עבור C-RDC עבור C-R.

מגמות עתידיות ב Power Semiconductor

האבולוציה של האריסטוקרטים מ-SCRs למכשירי שער מודרניים מראה דחיפה עקבית לעבר יכולת שליטה גבוהה יותר, הפסדים נמוכים יותר, ומגמות עתידיות מצביעות על שילוב של מנהלי השער ועיגולים הגנה ישירות לתוך מודול הכוח, לאחר הדוגמה של המרה קומפקטית IGCT.הפיתוח של סימטרי חסימתך עבור מתגים דו-צדדיים יהיה קריטי עבור ממירים ועלייה חזקה של מעגל, גם חומרים קומפקטיים, כאשר אתה יכול לשלב את התדירות גבוהה יותר של ה-ג'ורג'טרפים.

החל מימיו הראשונים של SCR בשנות החמישים ועד היום של SiC GTOs, משפחת Thyristor התאימה ברציפות לענות לדרישות של אלקטרוניקה כוח מורכב יותר ויותר.היכולת להתמודד עם זרמים קיצוניים ומתחים עם אובדן התנהגות מינימלי מבטיח כי התקנים מבוססי Thyristor להישאר חיוני ביישומים כוח עליון, אפילו כמו טכנולוגיות טרנסיסטאור מתקדמות.