L'elettronica di potenza è la spina dorsale dei moderni sistemi elettrici, consentendo un controllo efficiente, la conversione e il condizionamento dell'energia elettrica. Dai motori industriali agli inverter di energia rinnovabile e alle powertrains dei veicoli elettrici, i commutatori di semiconduttori sono i componenti critici che determinano le prestazioni del sistema, l'affidabilità e il costo.

Cosa sono i Thyristors?

I tiritori sono una famiglia di dispositivi semiconduttori con una struttura a quattro strati, nota anche come tiristor p-n-p-n. Funzionano come interruttori bistabili, il che significa che possono essere attivati (previa conduzione) o disattivati (blocco). Il tipo più comune è il rettificatore controllato al silicio (SCR), ma altre varianti includono i tiritori turn-off (Gmut-com).

Struttura e funzionamento del dispositivo

Il tiritore è composto da quattro strati alternati di silicio p-type e n-type, formando tre giunzioni p-n. Ha tre terminali: anodo (A), catodo (K), e cancello (G). Quando una tensione positiva viene applicata tra l'anodo e il catodo, il dispositivo rimane nello stato di blocco in avanti fino a quando un impulso corrente viene iniettato nel cancello.

Caratteristiche chiave dei Thyristors

  • Valutazioni di tensione e correnti:[ I tiri sono disponibili con capacità di bloccaggio della tensione superiore a 10 kV e valutazioni correnti superiori a 10 kA. Questo li rende il dispositivo di scelta per applicazioni di potenza molto elevata come la trasmissione HVDC, grandi motori e rettificatori ad alta potenza.
  • Velocità di commutazione:[] I SCR convenzionali commutano relativamente lentamente, tipicamente accendendo in pochi microsecondi e richiedendo da dieci a centinaia di microsecondi di spegnersi. Questo limita il loro uso alle frequenze inferiori a poche centinaia di hertz.
  • Gate drive semplicità:[ Un SCR richiede solo un breve impulso di cancello a accendere. Non è necessario alcun segnale di cancello continuo durante la conduzione, che semplifica il circuito di azionamento del cancello. Tuttavia, il turn-off richiede circuiti di commutazione esterni a meno che non venga utilizzato un GTO o IGCT.
  • Robustibilità:[ I tiristori sono molto robusti e tolleranti delle correnti di sovratensione e delle sovratensioni. Spesso sono utilizzati in applicazioni in cui l'affidabilità in condizioni difficili è fondamentale, come nella saldatura industriale e nei rifornimenti ad alta potenza.

Applicazioni comuni dei Thyristors

I Thyristors dominano in applicazioni che richiedono un'elevata gestione dell'energia con frequenze di commutazione modeste:

  • Convertitori AC-to-DC (rettificatori) per processi elettrochimici, sistemi di trazione e grandi caricabatterie
  • Regolatori di tensione AC (dimmer leggeri, antipasti morbidi)
  • Compensatori statici VAR e controllo reattivo dell'energia
  • Sistemi di trasmissione HVDC, dove le valvole di tiro gestiscono tensioni fino a 800 kV e correnti fino a 5 kA
  • Generatori di impulsi ad alta potenza e circuiti di crowbar
  • Motori a trasmissione controllata in fase per motori ad induzione di grandi dimensioni

Cosa sono iGBT?

I transistor bipolari a cancello isolati (IGBT) sono dispositivi ibridi che combinano l'elevata impedenza di ingresso di un transistor a effetto campo (MOSFET) con la bassa caduta di tensione a stato di un transistor bipolare (BJT) che si sviluppa per colmare il divario tra i MOSFET di potenza e i BJT, offrendo un'alta efficienza a medio tensione e livelli di conversione veloci.

Struttura e funzionamento del dispositivo

Un canale IGBT ha una struttura a quattro strati (p-n-p-n) simile a un tiristor ma con un MOSFET integrato nella regione del cancello. Il dispositivo ha tre terminali: collettore (C), emitter (E), e cancello (G). Quando una tensione positiva viene applicata tra cancello e e emettitore (tipo 15 V), un canale conduttivo si forma nella sezione MOSFET, che a sua volta i vettori di ingGB si trasformano

Caratteristiche chiave di IGBTs

  • Velocità di commutazione:[ IGBTs possono passare a frequenze da pochi kilohertz fino a decine di kilohertz, a seconda del disegno del chip (ad esempio, perforazione e non-punch-through tipi, campo-stop e strutture a trench-gate).
  • Valutazioni di tensione e corrente:[ I moduli moderni IGBT sono disponibili con tensioni di bloccaggio fino a 6,5 kV e valutazioni correnti fino a 3,6 kA per modulo.
  • Caduta di tensione sullo stato:[[] IGBTs presentano una tensione di saturazione relativamente bassa (V[CE(sat)[]), tipicamente 1,5–2,5 V a corrente nominale. Questa tensione è abbastanza stabile su un ampio range di corrente, che porta a basse perdite di conduzione in molte applicazioni.
  • Perdite di commutazione:[ IGBTs incorrere in perdite di energia di svolta e di spegnimento che aumentano con la frequenza.Le generazioni moderne hanno ridotto significativamente queste perdite, ma per frequenze molto elevate, i MOSFET sono ancora preferiti.
  • Area operativa sicura (SOA):[ IGBTs hanno un'area operativa sicura orientata verso l'alto ben definita (FBSOA) e area operativa sicura inversa (RBSOA).

Applicazioni comuni di IGBT

IGBT sono i cavalletti di lavoro di medie e alte prestazioni di commutazione:

  • Azionamenti a frequenza variabile (VFD) per motori AC
  • Alimentatori senza interruzioni (UPS) e sistemi inverter
  • Inverter solari e convertitori di turbine eoliche
  • Autotrazione elettrica (EV) inverter e stazioni di ricarica
  • Riscaldamento e saldatura di alimentazione
  • Sistemi di trazione ferroviaria (linea leggera, metropolitana, treni ad alta velocità)
  • Circuiti di correzione dei fattori di potenza e filtri attivi

Confronto testa a testa: Tiristori contro IGBT

Entrambi i dispositivi possono essere utilizzati per il commutatore di potenza, ma la scelta migliore dipende dalle specifiche condizioni operative.

Velocità di commutazione

IGBT sono significativamente più veloci dei tiristori convenzionali. Un SCR standard richiede un tempo di spegnimento (tq]) sull'ordine di 50–200 μs, limitando il funzionamento alle frequenze di linea (50–60 Hz) o poche centinaia di hertz al massimo.

Tensione e gestione corrente

I tiristori sono sovrani ai livelli di tensione e corrente più elevati. I tiristori di press-pack utilizzati in HVDC sono classificati per 8,5 kV e 6 kA, impilati in serie per raggiungere centinaia di kilovolt. D'altra parte, i moduli IGBT più alti raggiungono 6,5 kV e 3,6 kA, con potenze inferiori all'estremità di alta tensione.

Complessità di controllo

Il controllo è dove IGBTs ha un chiaro vantaggio. IGBT sono controllati a tensione; una tensione gate-emitter di 15 V li accende, e 0 V (o leggermente negativo) li spegne. Questo permette circuiti di azionamento a cancello semplici, isolati, soprattutto quando si utilizza un driver di cancello dedicato IC. Il turn-off è attivo e non si basa sulla commutazione esterna.

Efficienza e perdite

Perdite di conversione: nello stato, un tiristor ha tipicamente una diminuzione della tensione di 1–1,5 V, leggermente inferiore a quella di un IGBT 1,5–2,5 V a corrente comparabile. Tuttavia, le perdite di conversione IGBT sono più prevedibili e meno sensibili alla temperatura.

Robustezza e affidabilità

I tiritori sono estremamente robusti. Possono sopportare elevate correnti di sovratensione (fino a 10-20 volte nominale di corrente per brevi periodi), alta di / dt, e ad alta dv/dt senza danni. Il loro grande die di silicio e la struttura semplice li rendono resistenti a guasti di raggi cosmici sotto alta tensione. IGBT sono più sensibili agli eventi di sovratensione e sovratensione; possono fallire cortocircuito o circuito aperto se non i moduli correttamente protetti.

Costo

A velocità molto elevata e valutazioni correnti (ad esempio, > 5 kV, > 1 kA), i moduli di tiristor sono generalmente meno costosi per moduli di kVA rispetto ai moduli IGBT. Per una potenza moderata a bassa tensione (ad esempio, 600 V, 100 A), i moduli IGBT sono molto convenienti a causa di volumi di produzione elevati. Inoltre, i costi connessi di azionamento del cancello e di snubber circuiti variano.

Guida di selezione: Quale dispositivo è meglio per la tua conversione di potenza?

La risposta dipende dai requisiti specifici: la tabella seguente riassume i criteri chiave di decisione, ma è necessaria una valutazione più dettagliata per la selezione finale.

Quando scegliere i Thyristors

  • Applicazioni ad alta tensione (> 10 kV) o ad alta corrente (> 5 kA) come HVDC, impianti di elettrolisi di grandi dimensioni, o potenza pulsata ad alta potenza.
  • Frequenza linea (50/60 Hz) Applicazioni AC dove si verifica la commutazione naturale (ad esempio, rettificatori a controllo di fase e regolatori di tensione AC).
  • Applicazioni in cui la capacità di sovratensione e la robustezza sono fondamentali, come i circuiti di protezione del piede di porco e i saldatori.
  • Progetti sensibili al costo, in cui le prestazioni moderate ad alta potenza sono accettabili, e la velocità di commutazione non è un fattore importante.

Quando scegliere IGBTs

  • Applicazioni che richiedono frequenze di commutazione superiori a poche centinaia di hertz, come inverter PWM, motori e UPS.
  • Tensione media (fino a 6,5 kV) e correnti da moderata a alta dove il commutatore rapido riduce la dimensione del filtro e migliora la risposta dinamica.
  • Sistemi che richiedono un semplice gate drive e un facile controllo, come convertitori digitali controllati in energia rinnovabile e EV.
  • Applicazioni in cui l'alta efficienza e la densità di energia sono le priorità principali, come inverter di trazione e inverter solari.

Soluzioni ibride ed emergenti

Per esempio, un rettificatore AC-DC basato su tiristor fornisce la potenza di massa mentre un inverter basato su IGBT fornisce un controllo eccellente e una risposta rapida. Inoltre, nuovi dispositivi a banda larga come il carburo di silicio (SiC) MOSFETs e il nitride di gallio (GaN) HEMTs stanno sfidando sia i driver di tensione più profondi che IGBT

Sintesi

I Thyristors e IGBTs hanno ciascuno ruoli distinti nell'elettronica di potenza. I Thyristors offrono capacità di tensione e corrente non abbinate ad una robustezza eccezionale, ma sono limitati al funzionamento a bassa frequenza e richiedono commutazione esterna per il turn-off nei circuiti DC. IGBTs forniscono un'applicazione rapida, controllata da cancelli, alta efficienza e alla fine la facilità di controllo, rendendoli la scelta preferita per la maggior parte dei moderni sistemi di conversione di corrente di corrente di corrente.