Силовая электроника образует основу современных электрических систем, обеспечивая эффективное управление, преобразование и кондиционирование электрической энергии. От промышленных приводов двигателей до инверторов возобновляемой энергии и силовых агрегатов электромобилей полупроводниковые переключатели являются критическими компонентами, определяющими производительность, надежность и стоимость системы. Среди множества доступных устройств тиристоры и изолированные затворные биполярные транзисторы (IGBT) выделяются как два наиболее широко используемых. Каждый из них имеет уникальные принципы работы, сильные стороны и ограничения. Выбор правильного устройства для данного приложения преобразования мощности требует тщательного понимания их характеристик. Эта статья обеспечивает всестороннее сравнение тиристоров и IGBT, охватывающих структуры устройства, поведение переключения, рейтинги напряжения и тока, эффективность, сложность управления и типичные приложения.

Что такое тиристоры?

Тиристоры представляют собой семейство полупроводниковых устройств с четырехслойной структурой p-n-p-n, также известной как p-n-p-n тиристор. Они функционируют как бистабильные переключатели, то есть их можно включать (передняя проводимость) или выключать (блокировка). Наиболее распространенным типом является кремниевый выпрямитель (SCR), но другие варианты включают тиристоры с выключателем затвора (GTO), интегрированные тиристоры с коммутацией затвора (IGCTs) и тиристоры с управлением MOS (MCTs). В этой статье термин «тиристор» обычно относится к SCR, если не указано иное.

Структура устройства и его эксплуатация

Тиристор состоит из четырех чередующихся слоев кремния p-типа и n-типа, образующих три р-n перехода. Он имеет три терминала: анод (A), катод (K) и затвор (G). Когда положительное напряжение прикладывается между анодом и катодом, устройство остается в переднем блокировочном состоянии до тех пор, пока импульс тока не будет введен в затвор. Это запускает регенеративную петлю обратной связи, которая защелкивает тиристор в состояние нахождения, где он проводит с минимальным падением напряжения (обычно 1-2 В). После защелкивания затвор теряет контроль, и тиристор может быть выключен только путем уменьшения анодного тока ниже уровня удерживающего тока (для линейно-коммутированных тиристоров) или с помощью принудительной схемы коммутации. Это защелкивание делает тиристоры естественным образом подходящими для линейно-частотных приложений переменного тока, где ток естественным образом пересекает ноль.

Ключевые характеристики Thyristors

  • Нагрузка и ток: Тиристоры доступны с возможностями блокировки напряжения, превышающими 10 кВ, и током выше 10 кА. Это делает их предпочтительным устройством для очень мощных приложений, таких как передача HVDC, большие приводы и выпрямители высокой мощности.
  • Скорость переключения: Обычные SCR переключаются относительно медленно, обычно включаются за несколько микросекунд и требуют от десятков до сотен микросекунд для выключения. Это ограничивает их использование частотами ниже нескольких сотен герц. Более быстрые варианты, такие как GTO и IGCT, могут переключаться на несколько килогерц, но все же отстают от IGBT.
  • Простота привода затвора: Для включения SCR требуется только короткий импульс затвора. Во время проводимости не требуется непрерывный сигнал затвора, что упрощает цепь привода затвора. Однако для выключения требуется внешняя схема коммутации, если не используется GTO или IGCT.
  • Рыбкость: Тиристоры очень прочные и терпимы к токам перенапряжения и перенапряжениям.Они часто используются в приложениях, где надежность в суровых условиях имеет первостепенное значение, например, в промышленной сварке и мощных источниках питания.

Общие применения тиристоров

Тиристоры доминируют в приложениях, требующих высокой мощности при умеренных частотах переключения:

  • Преобразователи AC-to-DC (исправители) для электрохимических процессов, тяговых систем и больших зарядных устройств аккумуляторов
  • Контроллеры напряжения переменного тока (световые диммеры, мягкие стартеры)
  • Статические компенсаторы VAR и реактивный контроль мощности
  • Трансмиссионные системы HVDC, где тиристорные клапаны обрабатывают напряжения до 800 кВ и токи до 5 кА
  • Высокомощные генераторы импульсов и ломовые схемы
  • Фазово-управляемые приводы для больших индукционных двигателей

Что такое IGBT?

Изолированные затворные биполярные транзисторы (IGBT) представляют собой гибридные устройства, которые сочетают в себе высокое входное импеданс металлооксидно-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET) с низким падением напряжения на состоянии биполярного транзистора перехода (BJT). Они были разработаны для заполнения разрыва между силовыми MOSFET и BJT, предлагая высокую эффективность при средних напряжениях и уровнях тока с быстрым переключением. IGBTs в настоящее время являются доминирующим переключателем во многих приложениях преобразования мощности, от небольших инверторов до больших тяговых приводов.

Структура устройства и его эксплуатация

IGBT имеет четырёхслойную структуру (p-n-p-n), похожую на тиристор, но с MOSFET, интегрированным в область ворот. Устройство имеет три терминала: коллектор (C), излучатель (E) и затвор (G). При подаче положительного напряжения между затвором и излучателем (обычно 15 В) в секции MOSFET образуется проводящий канал, который в свою очередь впрыскивает носители в область дрейфа, заставляя IGBT проводить. В отличие от тиристора IGBT не защелкивается; его можно отключить, удалив напряжение ворот, что приводит к исчезновению канала и остановке впрыска носителя. Эта возможность отключения управляемого затвором является основным преимуществом перед тиристорами. IGBTs - устройства с очень высоким входным импедансом, упрощающие конструкцию привода ворот.

Ключевые характеристики IGBT

  • Скорость переключения: IGBT могут переключаться на частотах от нескольких килогерц до десятков килогерц, в зависимости от конструкции чипа (например, пробитые и непробитые типы, полевые и траншейные конструкции). Быстро переключающиеся IGBT используются в индукционном нагреве и резонансных преобразователях. Однако они медленнее, чем силовые MOSFET при очень низких напряжениях.
  • Нагрузка и ток: Современные модули IGBT доступны с блокирующими напряжениями до 6,5 кВ и током до 3,6 кА на модуль.В то время как это перекрывается с территорией тиристора на нижнем конце, тиристоры по-прежнему удерживают лидерство по самым высоким напряжениям и экстремальным токам.
  • Падение напряжения в состоянии: IGBTs демонстрируют относительно низкое напряжение насыщения (VCE(sat)), обычно 1,5-2,5 В при номинальном токе. Это напряжение довольно стабильно в широком диапазоне токов, что приводит к низким потерям проводимости во многих приложениях.
  • Переключение потерь: IGBT несут потери энергии включения и выключения, которые увеличиваются с частотой.Современные поколения значительно сократили эти потери, но для очень высоких частот MOSFET по-прежнему предпочтительны.
  • Безопасная операционная зона (SOA): IGBT имеют четко определенную передовую предвзятую безопасную операционную зону (FBSOA) и обратную предвзятую безопасную операционную зону (RBSOA). Правильная конструкция гарантирует, что устройство работает в этих пределах во время переключения переходных процессов.

Общие применения IGBT

IGBT являются рабочими лошадками приложений переключения от среднего до высокого напряжения:

  • Переменные частотные приводы (VFD) для двигателей переменного тока
  • Бесперебойные источники питания (UPS) и инверторные системы
  • Солнечные инверторы и конвертеры ветряных турбин
  • Электрический автомобиль (EV) тяговые инверторы и зарядные станции
  • Индукционное отопление и сварка источников питания
  • Железнодорожные тяговые системы (легкая железная дорога, метро, высокоскоростные поезда)
  • Схемы коррекции коэффициента мощности и активные фильтры

Сравнение голова к голове: Тиристоры против IGBT

Оба устройства могут использоваться для переключения питания, но лучший выбор зависит от конкретных условий эксплуатации. В следующих разделах подробно сравниваются ключевые параметры.

Скорость переключения

IGBT значительно быстрее обычных тиристоров. Стандартная SCR требует времени выключения (t]q) порядка 50—200 мкс, ограничивая работу линейными частотами (50—60 Гц) или максимум несколькими сотнями герц. Специальные тиристоры быстрого восстановления могут уменьшить tq примерно до 10—20 мкс, всё ещё медленные по сравнению с IGBTs. IGBT, напротив, имеют время включения 50—200 нс и время выключения 200—500 нс, что позволяет переключать частоты 5—50 кГц в жёстких коммутационных топологиях. Для резонансных или мягкопереключающихся преобразователей частоты могут достигать сотен килогерц. Более быстрое переключение IGBTs позволяет использовать меньшие пассивные компоненты (трансформаторы, индукторы, конденсаторы), уменьшая общий размер и вес системы.

Напряжение и текущая обработка

Тиристоры царят верховно на самых высоких уровнях напряжения и тока. Тиристоры пресс-пакета, используемые в HVDC, рассчитаны на 8,5 кВ и 6 кА, сложенные последовательно для достижения сотен киловольт. С другой стороны, модули IGBT с самым высоким рейтингом достигают 6,5 кВ и 3,6 кА, с более низкими рейтингами тока на конце высокого напряжения. Для приложений выше 10 кВ тиристоры являются единственным практическим кремниевым устройством. Однако IGBT могут быть соединены последовательно и параллельно для повышения рейтингов, хотя это добавляет сложность. Для уровней напряжения до 3,3 кВ используются IGBT, оба устройства используются, причем IGBT предпочитаются в приложениях, требующих быстрого переключения, таких как тяга.

Контроль сложности

Управление — это то, где IGBTs имеют явное преимущество. IGBTs — это напряжение-излучатель 15 В включает их, а 0 В (или немного отрицательное) выключает их. Это позволяет использовать простые, изолированные схемы привода затвора, особенно при использовании выделенного драйвера затвора IC. Отключение активно и не зависит от внешней коммутации. Напротив, SCRs требуют импульса затвора для включения, но при проводке сигнал затвора может быть удален. Для выключения SCR анодный ток должен прерываться или вынуждаться ниже удерживающего тока. В схемах переменного тока это происходит естественным образом при нуле тока, но в схемах постоянного тока через затвор можно выключать принудительный коммутационный контур (включая конденсатор и вспомогательный переключатель). GTO и IGCTs могут отключаться через затвор, но они требуют гораздо большей мощности привода затвора (особенно GTO, которым нужен большой отрицательный импульс тока). Таким образом, для простоты и легкости управления IGBTs предпочтительнее

Эффективность и потери

Общая эффективность системы зависит от потерь проводимости, потерь переключения и потерь привода ворот. Потери проводимости: В состоянии тиристор обычно имеет падение напряжения 1-1,5 В, немного ниже, чем 1,5-2,5 В IGBT при сопоставимом токе. Однако потери проводимости IGBT более предсказуемы и менее чувствительны к температуре. Потери переключения: IGBT имеют потери поворота и выключения. Тиристоры, будучи линейно коммутируемыми (естественно выключенными при нулевом токе), имеют незначительные потери выключения в приложениях переменного тока, но при принудительном коммутации в цепях постоянного тока, вносят дополнительные потери. В высокочастотных приложениях IGBT имеют более низкие общие потери, потому что период переключения составляет небольшую долю общего времени. Потери привода ворот: IGBT требуют постоянного напряжения ворот для поддержания проводимости (хотя очень низкий ток), в то время как SCRs требуют только короткого импульса, экономя мощность ворот. Однако сложность схем выключения тиристора компенсирует это преимущество. Для детального сравнения потерь дизайнеры должны выполнять тепловое моделирование на

Надежность и надежность

Тиристоры чрезвычайно прочны. Они могут выдерживать высокие токи накачки (до 10-20 номинальных токов на короткие промежутки времени), высокие ди/дт и высокие dv/дт без повреждений. Их большая кремниевая матрица и простая структура делают их устойчивыми к отказам космических лучей при высоком напряжении. IGBT более чувствительны к событиям перетока и перенапряжения; они могут выходить из строя короткого замыкания или открытого замыкания, если не защищены должным образом. Современные модули IGBT включают встроенные функции защиты, но они по-прежнему требуют тщательной конструкции привода затвора, чтобы избежать защелкивания или динамической лавины. Для приложений с суровыми условиями (высокая температура, высокая вибрация, частые перегрузки) тиристоры могут обеспечить более высокую надежность при условии, что более медленное переключение приемлемо.

Стоимость

При очень высоком напряжении и токе (например, > 5 кВ, > 1 кА) тиристорные модули, как правило, дешевле на кВА, чем модули IGBT. Для более низкого напряжения умеренной мощности (например, 600 В, 100 А) модули IGBT очень экономичны из-за высоких объемов производства. Кроме того, связанные с этим затраты на привод и схему саббера отличаются. Водоприводы IGBT просты и дешевы, в то время как схемы коммутации тиристора добавляют стоимость. Для каждого приложения должен быть выполнен общий анализ стоимости системы.

Руководство по выбору: какое устройство лучше для конверсии мощности?

Ответ зависит от конкретных требований. В таблице ниже приводятся краткие данные о ключевых критериях принятия решений, однако для окончательного отбора требуется более подробная оценка.

Когда выбрать тиристоры

  • Очень высокое напряжение (> 10 кВ) или очень высокий ток (> 5 кА) приложения, такие как HVDC, большие электролизные установки или мощная импульсная мощность.
  • Линейно-частотные (50/60 Гц) приложения переменного тока, где происходит естественная коммутация (например, фазово-управляемые выпрямители и регуляторы напряжения переменного тока).
  • Приложения, где способность тока всплеска и прочность имеют решающее значение, такие как схемы защиты ломов и сварщики.
  • Затратоустойчивые проекты, где приемлема умеренная производительность при высокой мощности, а скорость переключения не является основным фактором.

Когда выбрать IGBT

  • Приложения, требующие переключения частот выше нескольких сотен герц, такие как PWM-инверторы, приводы двигателей и ИБП.
  • Среднее напряжение (до 6,5 кВ) и от умеренного до высокого тока, где быстрое переключение уменьшает размер фильтра и улучшает динамическую реакцию.
  • Системы, требующие простого привода и простого управления, такие как цифровые преобразователи в возобновляемой энергии и электромобили.
  • Приложения, где высокая эффективность и плотность мощности являются главными приоритетами, такие как тяговые инверторы и солнечные инверторы.

Гибридные и новые решения

Некоторые современные конструкции объединяют тиристоры и IGBT для использования сильных сторон каждого. Например, тиристорный выпрямитель AC-DC обеспечивает объемную мощность, в то время как инвертор на основе IGBT обеспечивает тонкое управление и быстрый отклик. Кроме того, новые широкополосные устройства, такие как тиристоры (SiC) MOSFET и нитрид галлия (GaN) HEMT, бросают вызов как тиристорам, так и IGBT на более высоких частотах и напряжениях, хотя они еще не являются конкурентоспособными по стоимости для очень высоких уровней мощности. SiC MOSFETs могут переключаться на десятки килогерц с чрезвычайно низкими потерями, и модули появляются для напряжений до 3,3 кВ. Для самых высоких уровней напряжения (выше 10 кВ) технология тиристора продолжает развиваться с оптическим триггером и интегрированными драйверами ворот. Для более глубокого технического обзора типов тиристоров ссылаются на ресурсы, такие как Инженерное руководство по Thyristor и для IGB

Резюме

Тиристоры и IGBTs имеют различные роли в силовой электронике. Тиристоры предлагают непревзойденные возможности напряжения и тока с исключительной прочностью, но они ограничены низкочастотной работой и требуют внешней коммутации для выключения в контурах постоянного тока. IGBTs обеспечивают быстрое, контролируемое затвором переключение, высокую эффективность и простоту управления, что делает их предпочтительным выбором для большинства современных систем преобразования мощности до нескольких киловольт. Решение в конечном итоге зависит от рабочего напряжения, тока, частоты, сложности системы и ограничений стоимости конкретного приложения. Тщательно взвешивая эти факторы, инженеры могут выбрать устройство, которое обеспечивает лучшую производительность и надежность для их потребностей в преобразовании мощности.