שער Turn-Off (GTO) מכשירים למחצה מוליכים למחצה כבר מזמן אבן הפינה של אלקטרוניקה בעוצמה גבוהה, מתן שליטה חזקה על מתחים משמעותיים זרמים במערכות החל מכוננים תעשייתיים ועד מופנים לרשתות המונעות לרשתות. כמו הביקוש העולמי ליעילות אנרגיה ושילוב מתחדש מגביר את התחזיות, האבולוציה של טכנולוגיית GTO מקודמת.

קידום טכנולוגיות חומריות

GTO מבוסס סיליקון שימש היטב במשך עשרות שנים, אבל הגבולות הפיזיים שלה במונחים של מהירות מעבר, חסימת מתח, סובלנות תרמית הופכים למגבלות עבור מערכות כוח הדור הבא.אימוץ של פס רחב (WBG) Semiconductors - במיוחד סיליקון carbide (SiC) ו nitride גירוד (Ga) - מייצג את המגמה הטרנספורמציה ביותר של התקן GTO.

Silicon Carbide (SiC) GTOs

SiC מציע כוח שדה התמוטטות בערך פי 10 של סיליקון, המאפשר SiC GTOs לחסום מתחים מעל 10 kV תוך שמירה על התנגדות המדינה נמוכה, תכונה זו קריטית עבור זרם ישיר גבוה (HVDC) שידורים מתחמי סיליקון 1C, שבו יעילות המערכת ממירת את הפסדי ההתנהלות הקומפקטית יותר, סוללת (RDC) מאפשרת 4.9/K) להפחתה משמעותית של טמפרטורות פתוחות גבוהות יותר מ- CTOC.

גליום ניטרד (GaN) GTOs

(ג) חומר נוסף רחב פסגפ, מצטיין ביישומים הדורשים מעבר מהיר מאוד ופעולה גבוהה של סיבולת גבוהה.למרות שמכשירי כוח GaN הם בדרך כלל מבנים מאוחרים יותר עבור מתחים נמוכים (עד 650 V), מחקר מתמשך ב- GaN GTO מבטיח לדחוף את רמת המתח לתוך טווח קילובט תוך שמירה על המטען הנמוך של החומר והפסדים מתמשכים.

אינטגרציה חומרית heterogeneous Materials

מעבר ל- SiC טהור או GaN, החוקרים חוקרים חוקרים את המבנים היברידיים של GTO המשלבים תת-שכבות סיליקון עם שכבות דקות של חומר פסגה רחבה. מכשירים heterogeneous אלה שואפים למנף את הבשלות הייצור של סיליקון תוך השגת היתרונות של מוליכים למחצה.לדוגמה, בסיס סיליקון עם שכבת ספקטרום אפיקסילי יכול להפחית את הירידה של מתח המדינה על ידי 30% לעומת כל עיצובים, מה שהופך כזה יעיל עבור פתרון אנרגיה היברידית קיימת פתרון זמני עבור פתרון זמני עבור פתרון זמני עבור פתרון זמני עבור פתרון זמני של מחזורי כוח.

שילוב עם Smart Technologies

הדור הבא של מכשירי GTO כבר לא יהיו אלמנטים מעבר פסיביים; הם ישלבו אינטליגנציה על שבב שמתקשרת עם בקרים ברמת המערכת.פרדיגמה "חכם GTO" זו מונעת על ידי הצורך ניטור מצב בזמן אמת, בקרה הסתגלותית, ואמינות משופרת ביישומים קריטיים המשימה כמו התמחויות רשת ודרכי רכבת.

חיישנים מבוקשים ו ניטור מצב

(המודולים העתידיים צפויים להשתלב ב-FLT:0 חיישנים זמניים FLT:1, ;2voltage DividerssFLT 3, ו-FLT:4 irdsFLT:5 ישירות לתוך החבילה: חיישנים אלה להאכיל נתונים מיקרו-בקר מקומי שיכולים לזהות תקלות - כגון צומת או צומת-חוט-חוט-התחילהההההההה, לפני שהם מאפשרים תזמון משמעותי של שימוש ב-Fganil-Flasting קיבולת של שימוש ב-Flasticuptects, לפני קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת

מעגלים מתקדמים של שער

כוננים מסורתיים של GTO הם רשתות התנגדות פשוטות (GTO חכמים מודרניים GTOs), עם זאת, להעסיק את (FLT:0actively מבוקר שער נהגים FLT:1 אשר להתאים את Turn-on והפך-off הנוכחי פרופילים בזמן אמת בהתבסס על תנאי עומס.זה בקרת שער פעיל (AGC) יכול להפחית את החלפת ההפסדים עד 40% תוך דיכוי מתח על פני פתרון והתערבות אלקטרומגנטית (EMI) כמה שימוש מתקדם להחלפת אותות למידה.

תאומים דיגיטליים ותחזוקה חיזוי

ברמת המערכת, ממירי GTO ממודלים כ-FLT:0 (תאומים דיגיטליים) 1 - העתקים וירטואליים שמראיים את המצב החשמלי והרמייש של החומרה בזמן אמת, על ידי השוואת ההתנהגות הנבאת של התאום עם קוראי חיישן אמיתיים, המפעילים יכולים לזהות סטייה של עקיצות של ללבוש או כישלון מעצורים.

יישומים במערכות אנרגיה מתחדשת

דחיפה העולמית לדה-קרבן יצרה דרישה מסיבית לאלקטרוניקה של חשמל המסוגלת לטפל בריכוזיות וברמות כוח גבוהות של מקורות מתחדשים. GTOs, עם החוסמות הטבוע שלהם ויכולת הבשלה הנוכחית גבוהה, מתאימים באופן ייחודי למספר תפקידים מרכזיים בנוף האנרגיה המתחדש.

השמש Inverters

צמחים פוטו-וולטאיים בקנה מידה גדול יותר מ -100 MW, הדורשים חומרים שיכולים לעבד זרמים עצומים במתחים עד 1.5 kV SiC מבוסס GTOs מתעוררים כמכשיר של בחירה עבור מפגעים מרכזיים במתקנים אלה.הפסדים נמוכים שלהם מאפשרים ל- 11.5 kV להפעלה בתדרים גבוהים יותר (5kHz), צמצום הגודל והעלויות של מסננים מרכזיים יותר, במיוחד ל- 9.4% מהטמפרטורה של CTOC.

Wind Power Converters

טורבינות Wind, הן על החוף והן על offshore, להסתמך על ממירים ממקור אחורי (VSCs) כדי לחבר את הגנרטור המשתנה- ⁇ לרשת קבועה- ⁇ GTOs שימש היסטורית בממירים אלה, אבל עיצובים מודרניים עוברים ל-SiCLT2:0SiC GTO-Moderts-upal-Moderal-of-of-CDC (MMCs) מונעים את מספר גבוה יותר מ-CLCCLCSi-CLCC) להפחתה של תאים באמינות גבוהה יותר.

חברת Grid-Scale Energy

מערכות אחסון אנרגיה סוללות (BESS) המשמשות לייצוב רשת וגילוח שיא דורשות מומרים דו-צדדיים DC-AC. GTO-based Inverters יכול להתמודד עם זרמי הפגמים הגבוהים המתרחשים במהלך הפרעות רשת ללא ניכוי, מתן חיוני DC-AC:0fault רכיבה על הפיכה יעילה יותר של GTOFLT:1 המגמה לעבר זרם ה-FLT2soliders (SST) מאפשר להפחתה משמעותית של עלויות אחסון ב-GTO-VTO, החל 10 קיבולת מחזוריות ישירות יותר של GTO-VLT-VLTFLT-FLT-FLT-FLT-FLT-FLT-FLT 10.

יישומים חדשים מעבר לחידושים

בעוד אנרגיה מתחדשת היא נהג גדול, כמה מגזרים אחרים מוכנים ליהנות מהדור הבא של מכשירי GTO.

High-Voltage Direct Current (HVDC) Transmission

מערכות HVDC הן עמוד השדרה של העברת חשמל למרחקים ארוכים וקשרי צוללות.מודרנית Sourcer (VSC) HVDC תחנות יותר ויותר להעסיק GTO מבוססי MMCs, אבל דחיפה לרמות מתח גבוהות יותר (למשל, ±800 kV ומעבר) חושף את המגבלות של סיליקון GTOs.S.C GTO, עם היכולת שלהם לחסום עד 15V, בנוסף לנפח את גודל הזרועות במהירות גבוהה יותר, כלומר, על ידי Clinker של פונקציות של מערכת בקרת שטח CTO, יותר, יותר, יותר ויותר) הוא צמצום יותר ויותר.

רכבי רכבת וחשמל

(החשמל של תחבורה משתרע מעבר למכוניות נוסעים לרכבת כבדה, ימית, ומחוץ לכבישים של GTO יש היסטוריה ארוכה בכוננים של צינורות מסילות רכבת וחשמל, אבל יישומים מודרניים ביקוש לדחיסות גבוהה יותר אי פעם ויעילות של מאמר 3: SiC GTOs עכשיו מוערכים עבור מתקני חשמל גבוהים יותר (FLT) או רכבי תחבורה גבוהה יותר מ-CTO (I) ב-CV2T) לשימוש במכוניות חשמליות יותר מ-CVervcVercVerto-CTO (IF) יותר מ-CTO, 000 יותר מ-CVT) יותר מ-CVT) ו-CTO, לעומת יותר מ-CVercVercupitupit גבוה יותר מ-CVT) במכוניות חשמליות יותר מ-CTO, לעומת יותר מ-CVT) ו-CTO, 000, 000, לעומת יותר מ-CVT) יותר מ-CVTVTVTVTVTVTVern-CVTVTVT) לשימוש במכוניות מהירות גבוהה יותר מ-CVTVTTO, 000, 000, 000 יותר מ-CVTV

מנועים תעשייתיים

מנועים תעשייתיים גדולים (מעל 1 MW) בשימוש דחוסים, משאבות, ומעבירים דורשים דחפים משתנים (VFDs) שיכולים להתמודד עם זרמי עלייה גבוהה במהלך ההפעלה ותנאי אשמה.VFDs בינוניים באמצעות GTOs כבר נפוצים, אבל המעבר לכיוון FLT:0regenerative 1 כי להחזיר אנרגיה לחטטה לרשת הוא צורך דחפים יעילים יותר של GTOC (T) אבל לעתים קרובות יותר לדחפים ניידים (R)

אתגרים ודרכים חדשנות

למרות היתרונות ברורים של חומרים חדשים ואינטגרציה אינטליגנטית, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני GTO מתקדמים להשיג פריסה מסחרית נרחבת.

ניהול ארס

בעוד SiC וגאון פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר סיליקון, צפיפות גלי החום של מכשירים אלה יכול להיות קיצוני - לעתים קרובות מעל 500 W / ס"מ / 2 במהלך מגמת עלייה של שיטות קירור מסורתיות כגון לוחיות אוויר או נוזל קר לא יכול מספיק פתרונות מתעוררים כוללים FLT:0 עקיפה חומרים קירור מ- 0 צומת 1 (שם המכשיר נמכר ישירות על microchannel), c2Ftraating ביעילות, 000 מחסנים מתכת מורכבים, 000;

מיניטור ואריזות

המגמה לעבר אלקטרוניקה קטנה יותר, קלה יותר דורש חבילות GTO שיכולים להתמודד עם זרמים גבוהים טביעת רגל קומפקטית מודולים נייר-חבילה המסורתית - בעוד חזק - הם רב-עוצמה.טכניקות אריזה הדור הבא כוללות את FLT:0sintered כסף מתנספחים (FLT:1 במקום נמכר, אשר מספק מוליכות תרמית וחשמלית גבוהה יותר, ומאפשר הפעלה בטמפרטורות גבוהות יותר:2 נחקרת על ידי סוללות ממות 3D-FD-FLT מאפשר גם ל-FLTsected-D-D-FD-FLT מאפשר להחליף תאים גמישים ישירות ל-D.

אסטרטגיות ניכוי עלויות

חומרים רחבים פסים נשארים 3-5 פעמים יקר יותר מסיליקון על בסיס per-chip. כדי להפוך את SiC וגאן GTOs מבחינה כלכלית קיימא עבור יישומים רגישים עלות כמו מופנים סולאריים למגורים או כונן המנוע לטווח בינוני, כמה נתיבים לירידה בעלויות הם רדוף:

  • (FLT:0)Larger wfer קוטרים:FreaLT:1 נעים מ-150 מ"מ ל 200 מ"מ SiC wfers יכול לקצץ את עלות השבבים ב-30% באמצעות ניצול אזור טוב יותר.
  • (FLT:0) שיפור צפיפות הצפיפות: FLT:1 Reduction micropipe ו- dislocation צפיפות ב- SiC substrates להגדיל את התשואה ומאפשר צ'יפס גדול יותר.
  • (FLT:0) שילוב heterogeneous:FLT:1 (שימוש בשלב סיליקון עם שלב כוח SiC יכול לרסק את העלות הכוללת של מודול תוך שמירה על רוב היתרונות של הביצועים.
  • ייצור:0 (Automated Manufacturing: FLT:1evolved ו-Coeling טכניקות מתקדמות ללא תשלום ומכרזות ללא תשלום) מקטין את עבודת הרכב.

פרויקט מפת הדרכים בתעשייה שעד 2030, סכום ה-SiC GTOs יהיה בתוך 20% ממכשירי סיליקון, שבו היתרון הכולל של המערכת עלות (תודה מופחתת קירור ופסיבי) יעשה את המעבר אטרקטיבי מבחינה כלכלית עבור רוב היישומים כוח גבוה.

מסקנה

העתיד של מכשירי GTO Semiconductor קשור באופן מהותי לטרנספורמציה הרחבה יותר של אלקטרוניקה כוחית כלפי יעילות גבוהה יותר, אינטליגנציה גדולה יותר, וסביבות הפעלה תובעניות יותר. חומרי חידושים - במיוחד רחבות פסגפ מוליכים למחצה כמו SiC וגאון - דוחים את הגבולות של מתח, תדירות וטמפרטורה גבוהה יותר של חיישנים על שבב, דחפים אדפטיים, מודלים דיגיטליים ותאום הופך מתגים ממריצים מ- GTO לביקושים פשוטים, ויישומים חשמליים.

אתגרים בניהול תרמי, מיניטוריזציה, והעלות נותרו משמעותיים, אך קצב החדשנות בחומרים מדע והנדסת אריזה הוא מאיץ.כפי שהחסמים הללו מתגברים, GTOs ישחקו תפקיד מרכזי יותר ויותר בתשתיות האנרגיה הנקיות והפרודוקטיביות התעשייתית של מחר.מהנדסים ומעצבי המערכת שעדיין מבשלים משבי מגמות אלה יהיו ממוקמים הכי טוב לרתום את הפוטנציאל המלא של אלקטרוניקה גבוהה הבא.