הנוף של אלקטרוניקה כוח מתפתח במהירות עם כניסתם של סיליקון Carbide Semiconductors.חומרים מתקדמים אלה משנים את טכנולוגיית ההמראה המסורתית של שער, פתיחת אפשרויות חדשות עבור יעילות גבוהה, יישומים בעוצמה גבוהה.הבנת העתיד של טכנולוגיית GTO בהקשר זה הוא חיוני למהנדסים, חוקרים וסטודנטים כאחד.הסינרגיה בין ארכיטקטורות בוגר וחומרים רחבים לטיפוח כדי לספק את הביצועים המתקדמים של מערכות חשמל סיליקון, אשר מטפלות יותר, מטפלות יותר, מטפלות יותר, מטפלות של מערכות אוטומציה תעשייתיות, טיפול מתקדמות של מערכות אוטומציה תעשייתיות, וטכנולוגיות אנרגיה מתקדמות של מערכות אוטומציה, וטכנולוגיות אנרגיה מתקדמות של מערכות אוטומציה, וטכנולוגיות מתקדמות.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

מבצע בסיסי ואופייסטים

שער הפוך-Off thyristor הוא מכשיר תלת-טווח של כוח למחצה שיכול להיות מופעל על ידי זרם שער חיובי ומפוזרים על ידי זרם שער שלילי.זה בקרת שער מלא מבחין GTOs מ- Thyristors סטנדרטי, הדורש מעגל נסיעה כדי לכבות את המבנה הנוכחי להפריע ל-Ficle-of-of-of-to-type שכבות, בדרך כלל ארבעה (p-n-n-p-n-n-n-F), עם שער פנימי, עם ה-F-F-F-F-to-to-to-F-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-Rater-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-

GTOs מאופיין על ידי יכולת חסימת מתח גבוהה שלהם (בדרך כלל 600 V ל 6.5 kV) וקיבולת טיפול נוכחי גדול (hundreds לאלפים של אספרסים) שלהם על-ידי המדינה ירידה נמוך, בדומה ל- Thyristators סטנדרטי, אבל רווח הפוך שלהם (ratio של anode הנוכחי כדי שער הנדרש עבור תפנית) הוא נמוך יחסית, לעתים קרובות בטווח של 4 עד 10 אמצעים משמעותיים זה הוא דחף זרם לאחור.

יישומים מסורתיים ומגבלות

מבחינה היסטורית, GTOs היו מעשי העבודה של המרה בינונית וגבוהה כוח המרה.הם בשימוש נרחב בכוננים מוטוריים עבור משאבות תעשייתיות, אוהדים, ומעבירים; במערכות מתפתלות לקטרים ורכבות חשמליות; ב- VAR קומפולנסים ליציבות הרשת; ובאספקת חשמל לא מופרעת גדולה, היכולת שלהם להתמודד עם גלאזים ושינויים פשוטים עבור דירוגים IGT מודרניים, לפני שבחרותי יותר.

עם זאת, GTOs יש מגבלות בולטות.מהירות המעבר שלהם היא איטי יחסית, עם זמני תפנית טיפוסיים בעשרות המיקרו-שניות, המוביל להפסדים משמעותיים במעבר בתדרים גבוהים יותר.הצורך מעגלים גדולים של נחירות כדי לנהל dv / dv / dt ו di / dt במהלך ההסעה מוסיף מורכבות, משקל, ועלות נוסף, על הנסיעה השער חייב לספק שיא גבוה (לעתים קרובות 20-30% של מחזור יקר) עבור קיבולת גבוהה יותר, כמו גם עבור קיבולת גבוהה יותר, כמו גם לחץ גבוה יותר, כמו גם לחץ גבוה יותר, כמו גם עבור מערכות חשמל זרם חשמלי, כמו גם לחץ גבוה יותר ויותר, כמו גם לחץ גבוה יותר ויותר, כמו גם.

חידושו של סיליקון Carbide ב- Power Electronics

תכונות חומריות של SiC

Silicon Carbide הוא מוליכים למחצה מורכבים המורכב מסיליקון ופחמן.החבילה הרחבה שלה (כ 3.26 eV עבור 4H-SiC בהשוואה ל-1.12 e forסיליקון) מעניקה כמה תכונות גבוהות יותר.כוח השדה החשמלי הקריטי בסיינט C הוא בערך פי 10 מאשר זה של סיליקון, ומאפשר להיות מעוצב עם הרבה שכבות דקות עבור דירוג נתון זה להפחית את המתחים ספציפיים של SiC (C) יותר מאשר טיפול גבוה יותר מאשר טיפול חום גבוה יותר מאשר רזולוציה גבוהה יותר מאשר רזולוציה גבוהה יותר מאשר סיליקון CST (מתאים).

תכונות אלה מתורגמות ישירות ליתרונות אלקטרוניים של חשמל: מתח התמוטטות גבוה יותר, אובדן התנהגות נמוך יותר, מהירות מעבר מהירה (עם אובדן מופחת החלפת), ושיפור ניהול תרמי. SiC גם מציג קשיחות קרינה מעולה, מה שהופך אותו מתאים ליישומים אוויריים וצבאיים.

השוואה עם מכשירי הסיליקון

הסיליקון שולט באלקטרוניקה כוח במשך עשרות שנים, אבל גבולות החומריים שלה הם התקרבו.תקני סיליקון גבוהים דורשים שכבות מתוחכמות, אור מעוותות, כי עלייה בהתנגדות והגבלת הדחיסות הנוכחית.מהירויות Switch מחוסנות על ידי הצורך לנהל אפקטים אחסון מטען. לעומת זאת, מכשירי SiC יכולים להשיג ניתוח חד קוטבי (למשל, MOSFETs ו diodes) אפילו במתחים דומים ל- 10GB, כמו רכיבי GVT, כמו אלה, כמו אלה, 000, 000, כמו אלה יכולים להשיג ניתוח חד קוטבי תיבות של 2.

עם זאת, ייצור SiC מאתגר יותר. פגמים תת-קרקעיים, מגבלות גודל (כיום 150-200 מ"מ), ועלויות חומריות גבוהות יותר מעכבות מבחינה היסטורית אימוץ נרחב.התקדמות Steady בצמיחה גבישית, אפיסי, ועיבוד המכשיר הפחיתו את דגני הירכיים ושיפור התשואות, תוך הפחתה של עלויות בעשור האחרון.

המדינה הנוכחית של SiC Technology

מכשירים זמינים מסחרית SiC כוללים stky diodes, MOSFETs, ו JFET מדורגים מ 600 V ל- 3.3 kV, עם כמה אבטיפוסים להגיע 10 kV או גבוה יותר. SiC MOSFET הם עכשיו הזרם המרכזי בטמפרטורות חשמליות כלי רכב חשמליים, אספקת חשמל שרת, ומכשירים סולאריים כמו SiCVs הם פחות נפוצים אבל מפותחים עבור יעילות גבוהה יותר עבור קיבולת גבוהה יותר של 20 C.

כיצד SiC משפר את ביצועי GTO

גבוה יותר וולט וטמפרטורות דירוגים

עוצמת השדה הקריטית הגבוהה של SiC מאפשרת GTOs לחסום מתחים גבוהים יותר עם אזור סחף דק יותר. A 10 kV SiC GTO יכול להיות שכבת עובי של בערך 100 מיקרומטר, בהשוואה ל-600 מיקרומטר עבור מכשיר סיליקון דומה.זה מקטין את עמידות הסדרה ומאפשר דחיסות הנוכחית יותר. SiC GTOs יכול גם לפעול בטמפרטורות מעל 250 מעלות צלזיוס, באופן דרמטי או מנקה מערכות תחזוקה, תחת לחץ אוויריות.

החלפת מהיר והפחתה של הפסדים

SiC GTOs ליהנות ממהירות האלקטרונים הגבוהה של החומר ושכבות סחף דק, המאפשרת זמני תפנית בטווח תת-מיקרו השני - סדר גודל מהיר יותר מאשר סיליקון GTOs. Faster מעבר מפחית את האנרגיה מתפזר במהלך כל קצב הזנב, ומאפשר מעבר גבוה יותר ללא ריצות תרמיות.

הירידה הנמוכה ביותר של סיג C GTOs תחת צפיפות גבוהה הנוכחית תורמת גם ליעילות.בדירוג הנוכחי, SiC GTO עשוי להציג ירידה מתח קדימה של 2-3 V, בהשוואה ל 3-4 V עבור סיליקון GTO. במערכות מגהוואט בקנה מידה, הפחתה חד-פעמית אחת יכולה לחסוך מאות קילווואט-שעה בשנה.

יתרונות מערכת-Level

השילוב של מתח גבוה יותר, טמפרטורה ומהירות מעבר מאפשר למעצבים לפשט ארכיטקטורות מערכתיות. מכשירים קטנים יותר נדרשים בסדרה כדי להגיע לדירוג מתח הרצוי, צמצום מספר נהגי השער, נושבים, ומאזן מעגלים. הטמפרטורה הצומת גבוהה יותר מבטלת או מטה את גודל הקירור. Faster מקטין את הגודל של מחסנים ופילטרים של מחסנים, באופן כללי, את העוצמה של קיבולת של 2CTO יכול להיות מנפח של 2 פעמים קירור.

היתרונות האלה אטרקטיביים במיוחד ביישומים עם מגבלות חלל ומשקל מחמירות, כגון אווירול, כלי רכב קרקעיים צבאיים ומערכות כוח סיפונה.היעילות הגבוהה יותר מתורגמת גם לצריכת אנרגיה מופחתת ועלויות הפעלה נמוכות יותר לאורך חיי המערכת.

פיתוח עתידי ויישומים

SiC GTOs במכוניות חשמליות

בעוד SiC MOSFET כבר מענישים את שוק הרכב החשמלי, SiC GTOs היעד כלי רכב כבדים ומערכת כוח גבוהה. עבור אוטובוסים חשמליים, משאיות, ציוד מחוץ לרמה גבוהה, שבו מתח סוללות צפויים לעלות מעל 800 V, SiC GTOs מציעים אלטרנטיבה עם ירידה נמוכה יותר של המדינה מאשר FET תחת זרם נמוך של יכולת נמוכה של פחמימות וקיבולת גבוהה שלהם לטווח קצר סיכון גבוה עבור CTO היא גבוהה עבור מודלים של כוח אחד בסיכון גבוה.

אנרגיה מתחדשת ורשת

מהפךים סולאריים בקנה מידה גדול, ממירי טורבינות רוח, ומערכות אחסון אנרגיה סוללה דורשות רמות גבוהות של כוח יעילות גבוהה, גבוה יעילות גבוהה של כוח. SiC GTOs יכול לשמש כמו ההתקנים העיקריים של מעבר בממירים רב-דרגים - כגון ניטרלי-נקודת-חושי ומודולים של ממירים מרובים - עבור יישומים המחוברים לרשת שלהם, מאפשר חיבור ישיר להפרעות בינוניות (10V) ללא מספר נמוך יותר, ולהפחית את הפחתת רמת הפחתת רמת הפחתת רמת ה- CV.

מנועים תעשייתיים וטרקציה

יישומים תעשייתיים כולל משחות שלי, מרוקנים, משאבות גדולות ליהנות מההתדה של GTOs. SiC GTOs להרחיב את היתרון הזה למהירויות גבוהות יותר וטמפרטורות, המאפשרות יותר ארונות כונן קומפקטיות.במערכת הרכבות, שבו החלל תחת הרכב מוגבל ואוויר קירור הוא לעתים קרובות מזוהמת, את הטמפרטורה הגבוהה יותר של SiC GTOs מאפשר עיצובים חתמים, אוויריים עם סוללות חדשות עם CTO-C עם סיליקון-C, לעומת 35%, לעומת יעילות של צריכת אנרגיה מבוססת GTO-C.

ייצור מראש ועלויות ניכוי

הכדאיות המסחרית של SiC GTOs תלויה בהפחתת עלויות הייצור.Efforts מתמקדת בהגדלה של מכשירים בגודל של מאתיים מ"מ, שיפור אחידות הצמיחה האפי-מיסימית, וצמצום פערי המטוס הבכיים שמרכיבים ביצועים מתקדמים של מכשירי אריזה מתקדמים - כגון סיליקון, עלייה ישירה של נחושת, ו-Hymetic encapsulation - מותאמים לביצועים גבוהים של GCTO, כמו עלייה בנפח גבוה של מחזורי, כמו סיליקון, שיפור נפח גבוה יותר, כמו סיליקון, עלייה בנפח גבוה של נפח GTO, עלייה בנפח גבוה יותר, עלייה בנפח גבוה של נפח GTO, עלייה בנפח גבוה יותר, כמו סיליקון, עלייה בנפח גבוה יותר, עלייה בנפח גבוה יותר, עלייה בנפח גבוה של נפח גבוה של נפח GTO.

שילוב מערכות Power Systems

SiC GTOs הם מועמדים טבעיים עבור בלוקים כוח מודולרי שניתן מקבילים ושורה המחוברת לבניית ממרים מדרגיים.הפסדים ההחלפה הנמוכות מאפשרים ניתוח קידוד גבוה במודולריות מרובות ברמת ההתנצלות, צמצום הגודל של submodule capacitors. חברות מתפתחות חבילות לעיתונות של SiC GTO המספקות קירור כפול חד צדדית ומאפשרות ערימה קלה של גישות מודולריות אלה לאפשר תחזוקה ולהפחית את התקני כדי להיות בלוקים סטנדרטיים כדי להשתמש באבני כוח שונות.

אתגרים ודרכים מחקר

אחריות וניהול ארסמל

הפעלה בטמפרטורות גבוהות מציבה לחץ על חומרי האריזה.המקדם של התרחבות תרמית לא מתאים בין SiC לבין תת-סטריט מסורתי יכול להוביל עייפות מכרה ופסת אג"ח חוט.חוקרים חוקרים בוחנים טכניקות אג"ח חדשות וחומרים תת-קרקעיים (למשל, גרף אלומיניום מורכב) שמתאים את ההתרחבות התרמית של SiC. oxide הוא גם דאגה בסיינט GTO עם מבנים חשמליים; כמו קוסמטיקה מתקדמת;

שער כונן מעגלי

SiC GTOs דורש כוננים שער המסוגלים למיקור ולשכוע זרמים גבוהים (עשרות של אמפרסים) במהירויות גבוהות.נהג השער חייב להיות חזק נגד transients משותף-mode ולספק בידוד גבוה.New Gate לנהוג כדי להתנצלות באמצעות GaN FETs והופכים משולבים מפותחים כדי לענות על דרישות אלה.

המונחים: Defect Management

פגמים תת-קרקעיים, במיוחד מיקרופיפס ופיזור מטוסים ביים, יכולים לגרום להתמוטטות מוקדמת ודליפה בסיי C GTOs. בעוד שגני פגם ירדו, הם עדיין גבוהים יותר מאשר ב-סיליקון וטכניקות אפיון מתקדמות (למשל, הדמיה פוטומיסטית, אלקטרומינס) משמשים למסך מתיחות, ושיטות צמיחה חדשות כמו פיזור רמות העדיפות נמוכה יותר.

מסקנה

העתיד של טכנולוגיית GTO בעידן של סיליקון מוליכים למחצה הוא בהיר והפך. SiC GTOs לספק מתח גבוה יותר, טמפרטורה, מהירות, המאפשר מערכות אלקטרוניות כוח יעילות וקומפקטיות יותר עבור יישומים תובעניים. בעוד אתגרים נשארים בייצור, אריזה ועיצוב כונן השער, מחקר מתמשך השקעות תעשייתי הם לטפל בהם במהירות.

(ב) לקריאה נוספת, התייחס לסעיף ה-FLT:0 (Wikipedia article on GTO thyristorspherph:1, סקירה של FLT:2silicon Carbide MaterialsofratedFLT:3, וסקירות עדכניות על מכשירי כוח SiC החל מ- IEEE (FLT:5).