Заря технологии Thyristor: кремниевые управляемые ректоры (SCR)

Кремниевые управляемые ректоры, широко известные как SCR, представляют собой основополагающий строительный блок современной силовой электроники. Введенные в конце 1950-х годов компанией General Electric на коммерческой основе эти четырехслойные трехконтурные полупроводниковые устройства были первой практической реализацией тиристора. Их способность переключаться и управлять высокими напряжениями и токами с помощью простого спускового механизма открывала новые возможности в промышленном управлении двигателем, регулировании освещения и конструкции питания. Структура SCR состоит из чередующихся слоев P-типа и N-типа, образующих конфигурацию PNPN с тремя выводами: анод, катод и затвор. При прямом смещении устройство остается в блокировочном состоянии до тех пор, пока импульс тока, приложенный к затвору, не инициирует регенеративный включение, закрепляя SCR в проводимость. После включения устройство продолжает проводить даже если сигнал затвора удален, требуя, чтобы анодный ток снижался ниже порогового значения (ток удержания) или чтобы основное напряжение цепи было обращено вспять,

Структура и операционный принцип

Поперечное сечение SCR показывает четырехслойную структуру P-N-P-N, которая ведет себя как два взаимосвязанных транзистора — NPN и PNP транзистор. При вводе положительного тока затвора транзистор NPN включается, что, в свою очередь, приводит к тому, что PNP транзистор быстро приводит в действие PNP-транзистор. Эта положительная петля обратной связи быстро приводит к падению напряжения вперед (обычно 1-2 В) при переносе сотен ампер. Регенеративное действие означает, что после того, как SCR защелкнут, затвор теряет контроль. Эта характеристика, хотя и полезна для простого управления включения / выключения, накладывает значительные ограничения в приложениях, требующих быстрого переключения или принудительной коммутации.

Ранние применения и влияние

Внедрение SCR произвело революцию в промышленном управлении мощностью. До их разработки большая мощность переменного тока регулировалась неэффективными насыщенными реакторами или громоздкими установками мотор-генератора. Регулируемые на основе SCR фазовые выпрямители позволяли точно регулировать напряжение постоянного тока, изменяя угол стрельбы импульса затвора. Эта технология позволила создать первые мощные приводы с переменной скоростью постоянного тока, которые стали необходимыми в стальных прокатных станках, бумажных машинах и шахтных подъемниках. SCR также нашли широкое применение в источниках питания в направлении , где они заменили тиратроны и игнитроны. По состоянию на начало 1970-х годов SCR могли обрабатывать напряжения до 2 кВ и токи до 1 кА, с более высокими показателями, достигнутыми с помощью серийных и параллельных комбинаций. Несмотря на их возможности обработки мощности, инженеры быстро признали, что неспособность SCR отключаться через затвор была критическим недостатком в более сложных схемах.

Неотъемлемые ограничения SCR

В то время как SCR был огромным скачком вперед, его эксплуатационные ограничения стимулировали поиск улучшенных конструкций тиристора. Наиболее значительным ограничением является то, что SCR может быть отключен только путем уменьшения основного тока ниже его удерживающего тока или путем приведения тока к нулю — процесс, называемый коммутацией. В цепи постоянного тока это требует внешней коммутационной цепи, добавляя сложность, стоимость и потери. Стали очевидными три основные категории ограничений.

Вызовы, связанные с механизмами

В схемах переменного тока, где ток естественным образом пересекает ноль, коммутация проста. Однако в схемах постоянного тока инженерам пришлось проектировать вынужденные коммутационные схемы с использованием конденсаторов, индукторов и вспомогательных тиристоров для прерывания тока. Эти схемы были громоздкими, неэффективными и увеличивали вес системы. Для высокочастотных приложений время, необходимое для тушения SCR (время выключения), стало ограничивающим фактором. Стандартные SCR обычно требуют десятков микросекунд для восстановления их блокирующей способности, ограничивая частоты переключения до нескольких сотен герц. Это сделало SCR непригодными для приложений, таких как источники питания в переключенном режиме или инверторы, требующие аудиочастот или более высоких скоростей переключения.

Ограничения контроля ворот

Второе основное ограничение заключается в том, что затвор может инициировать проводимость - он не может ее погасить. Это отсутствие контролируемого затвором выключения означало, что любое состояние неисправности, такое как короткое замыкание, не могло быть очищено драйвером затвора. Защита полагалась на предохранители быстрого действия или выключатели, которые добавляли стоимость и снижали надежность. Кроме того, схема привода затвора требовала постоянного тока импульса (обычно 100-200 мА для небольших SCR и несколько ампер для больших устройств) во время включения, но после защелкивания ток затвора мог быть удален. Чувствительность спускового механизма была зависящей от температуры, что делало конструкцию сложной в переменных средах.

Переключение скоростных ограничений

Процесс регенеративного защелкивания, хотя и надежный, по своей сути медленный. Время включения стандартной SCR обычно составляет 1-10 микросекунд, а время выключения (время обратного восстановления) может составлять до 50 микросекунд. Эти медленные скорости переключения ограничивают максимальную рабочую частоту до менее 1 кГц в большинстве практических схем. В то время как более быстрые версии, такие как тиристор с поддержкой затвора (GATT), все еще не могли соответствовать производительности переключения новых транзисторов. Эти недостатки создали явную потребность рынка в устройстве, которое объединило мощную обработку SCR с возможностью выключения с контролем затвора.

Тиристор: шаг вперед (Thyristor: A Step Forward)

Разработка тиристора Gate Turn-Off в конце 1970-х годов касалась наиболее критического ограничения SCR. Тиристор GTO можно отключить, применяя импульс тока обратного затвора, что делает его полностью управляемым переключателем — истинным , управляемым затвором, выключающим устройство . Первые коммерческие GTO появились в начале 1980-х годов от таких производителей, как Hitachi и ABB, первоначально оцененные для приложений средней мощности. В течение следующего десятилетия рейтинги GTO выросли до 6 кВ и 6 кА, что позволило использовать их в крупнейших промышленных и тяговых накопителях.

Структура и механизм выключения

GTO сохраняет базовую структуру тиристора PNPN, но со значительными изменениями, чтобы включить выключение. Слой N-эмиттера сегментирован на множество отдельных катодных островов, каждый из которых окружен областью затвора. Эта геометрия уменьшает эффект защелки и позволяет затвору извлекать ток из катода во время выключения. Когда применяется отрицательный ток затвора, он отвлекает миноритарные носители от базы NPN, нарушая регенеративную петлю обратной связи. Требуемый обратный ток затвора обычно составляет от 1/3 до 1/5 анодного тока - для 1000 A GTO импульс затвора выключения может достигать 300 A. Это требование к высокому вождению затвора было серьезной проблемой для ранних систем, что требовало специального драйвера с высоким током затвора с тщательной упаковкой с низкой индуктивностью.

Преимущества перед SCR

  • Полное управление затвором: Оба включения и выключения инициируются сигналом затвора, устраняя необходимость в принудительном коммутировании цепей в приложениях постоянного тока.
  • Более высокая частота переключения: ГТО могут работать на частотах до нескольких килогерц, по сравнению с несколькими сотнями герц для стандартных SCR.
  • Упрощенная защита: Возможность отключения через затвор позволяла мягкое отключение в условиях неисправности, уменьшая зависимость от быстрых предохранителей.
  • Снизился размер и вес системы: Без внешней коммутационной схемы конструкции инвертора и вертолёта стали более компактными.
  • Повышение эффективности: GTO поддерживали низкое падение напряжения в состоянии (обычно 1,5-3 В), аналогичное SCR, обеспечивая при этом лучшую динамическую производительность.

Применение GTO Thyristors

GTO стали устройством выбора для высоковольтных инверторов источника напряжения (VSI), используемых в железнодорожной тяге, больших промышленных приводах двигателя и статических компенсаторах VAR. Токийская система метро, европейские высокоскоростные поезда и многие шахтные экскаваторы полагались на инверторы на основе GTO в 1980-х и 1990-х годах. GTO также позволили разработать передачу высокого напряжения постоянного тока (HVDC) с использованием технологии преобразователя источника напряжения (VSC), хотя их принятие позже было превзойдено IGBT. Несмотря на их преимущества, GTO требовали громоздких, энергоемких схем снуббера для управления скоростью повышения напряжения (dV / dt) во время выключения, ограничивая их эффективность на очень высоких уровнях мощности.

Новые инновации: от GTO до современных тиристоров

Признавая высокие требования к току и снубберу привода GTO, исследователи разработали несколько улучшенных тиристорных структур в 1990-х и начале 2000-х годов. Эти устройства были направлены на объединение низких потерь проводимости тиристора с простым управлением затвором с низким энергопотреблением транзистора.

Коммутированный Тиристор (IGCT)

Введенный АББ в 1997 году IGCT интегрировал чип GTO с низкоиндуктивной цепью привода затвора с использованием одной упаковки. Ключевой инновацией стало подключение шлюза-водителя как можно ближе к тиристору и использование очень высокого импульса тока затвора (до 4 кА для устройства 4 кА) для достижения равномерного выключения. Это устранило необходимость в громоздком конденсаторе снуббера, резко упростив конструкцию системы. IGCTs предлагают наименьшее падение напряжения на состоянии любого высокопроизводительного полупроводника (около 1,1-1,5 В для устройств 4,5 кВ) при выдерживании токов разлома до десяти раз их номинального тока. Они широко используются в приводах среднего напряжения, преобразователях ветряных турбин и источниках питания железных дорог. Современные IGCT могут переключаться до 6 кА при 6,5 кВ, с возможностями dV/dt, превышающими 5000 В/мкс.

The Emitter Turn-Off (ETO) Тиристор

Тиристор ETO, разработанный в Политехническом институте Вирджинии и Государственном университете, использует МОС-транзистор для сокращения излучателя ГТО во время выключения. Эта компоновка снижает требование тока выключателя до небольшого сигнала затвора MOS (несколько вольт при микроамперах) при сохранении низкого падения тиристора на уровне состояния. ЭТО были продемонстрированы при значениях до 4,5 кВ и 1 кА с частотами переключения выше 1 кГц. Их основным преимуществом является очень простой привод затвора, похожий на силовой MOSFET, в сочетании с прочностью тиристора. Однако ограниченное коммерческое принятие остается из-за конкуренции со стороны IGCTs и IGBTs.

MOS-контролируемый Тиристор (MCT)

MCT, разработанный General Electric и другими в конце 1980-х годов, интегрирует два МОС-транзистора (один N-канал и один P-канал) в тиристорную структуру для обеспечения включения и выключения с контролируемым затвором. MCT включается путем приложения положительного напряжения к затвору и выключается отрицательным напряжением. Теоретически MCT предлагает самые низкие потери проводимости любого силового полупроводника. На практике производственные трудности и проблемы с выключающим усилением ограничивают его широкое развертывание. MCT остается нишевым продуктом для специализированных приложений высокой мощности, таких как импульсная мощность и индукционный нагрев.

Подъем изолированных ворот биполярные транзисторы и за их пределами

В то время как продвинутые тиристоры продолжали развиваться, Биполярный транзистор с изолированными воротами (IGBT) появился в качестве доминирующего силового полупроводника с 1990-х годов. IGBT сочетает в себе высокоимпедансный, контролируемый напряжением затвор MOSFET с низким напряжением насыщения биполярного транзистора, предлагая более простой привод затвора, чем GTO, и более быстрое переключение, чем тиристор.

IGBT и их роль

IGBT в настоящее время используются практически во всех приложениях силовой электроники ниже 3,3 кВ и умеренных уровней мощности (до нескольких мегаватт). Они доминируют в тяговых приводах электромобилей, солнечных инверторах и большинстве промышленных приводов. Современные модули IGBT включают в себя несколько чипов со встроенными диодами в одном пакете, достигая токов, превышающих 3000 А, и блокируя напряжения до 6,5 кВ. Однако IGBT имеет более высокое падение напряжения в состоянии, чем тиристор, особенно при высоких плотностях тока. Для чрезвычайно высоких уровней мощности, таких как в терминалах HVDC или крупных ветряных турбинах, устройства на основе тиристора (особенно IGCT) сохраняют преимущество в эффективности и надежности.

Сравнение с Thyristors

При сравнении IGBT с тиристорами компромисс заключается в первую очередь между потерями в состоянии и скоростью переключения. Тиристоры поддерживают более низкое перепад передней частоты, поскольку они работают в условиях глубокого насыщения из-за впрыска миноритарного носителя. У IGBT, напротив, падение напряжения увеличивается с плотностью тока. Для устройства с напряжением 4,5 кВ IGCT может иметь падение напряжения 1,5 В, в то время как IGBT может упасть на 2,5 В при том же токе. Более 1000 А среднего тока эта разница в 1 В приводит к 1 кВт дополнительных потерь проводимости. Однако IGBT переключаются быстрее (1-2 микросекунды) и требуют более простых приводов ворот, что делает их предпочтительными в приложениях средней мощности, высокой частоты. Выбор между тиристором и IGBT диктуется конкретными системными требованиями к эффективности, сложности и стоимости.

Современные материалы: кремниевые карбиды и нитрид галлия

Следующая волна эволюции в технологии тиристора обусловлена широкими полупроводниками полосового разрыва, в частности карбидом кремния (SiC) . тиристоры SiC — включая SiC GTO и SiC ETO — были продемонстрированы с блокирующими напряжениями, превышающими 20 кВ и рабочими температурами выше 300 °C. Более широкий диапазон SiC (3,26 эВ против 1,12 эВ для Si) позволяет гораздо более тонкие области дрейфа, снижая сопротивление на состоянии, обеспечивая при этом более высокие рейтинги напряжения. тиристоры SiC перспективны для импульсных силовых приложений, продвинутых систем HVDC и твердотельных выключателей. Например, SiC GTO, разработанный GeneSiC, может блокировать 18 кВ с перепадом напряжения 3,5 В при 100 А, что значительно превышает производительность любого кремниевого тиристора. Нитрид галлия (GaN) тиристоры также находятся в стадии исследования, хотя более низкая зрелость GaN и высокие уровни дефектов в настоящее время ограничивают их низко

Будущие тенденции в силовых полупроводниковых устройствах

Эволюция тиристоров от SCR до современных устройств отключения ворот демонстрирует последовательный толчок к более высокой управляемости, более низким потерям и большей надежности. Будущие тенденции указывают на интеграцию драйверов ворот и защитных цепей непосредственно в силовой модуль, следуя примеру IGCT. Развитие симметричных блокирующих тиристоров для двунаправленных переключателей будет иметь решающее значение для матричных преобразователей и твердотельных трансформаторов. Параллельно широкие материалы полосового разрыва будут расширять диапазон напряжения и частоты, где тиристор-подобная проводимость является выгодной. Исследователи также изучают суперпереходные тиристоры и гибридные устройства, которые сочетают в себе лучшие аспекты MOSFET и тиристоров. В следующем десятилетии может появиться полностью управляемые тиристоры с низкими потерями, которые могут соответствовать производительности переключения IGBT, сохраняя при этом превосходную эффективность проводимости. Эти инновации позволят более эффективные, компактные и интеллектуальные системы преобразования энергии, жизненно важные для интеграции возобновляемых источников энергии, электрического транспорта и инфраструктуры интеллектуальных сетей.

С первых дней SCR в 1950-х годах до сегодняшних SiC GTO семейство тиристоров постоянно адаптировалось к требованиям все более сложной силовой электроники. Способность обрабатывать экстремальные токи и напряжения с минимальными потерями проводимости гарантирует, что устройства на основе тиристора остаются необходимыми в приложениях с самой высокой мощностью, даже по мере развития транзисторных технологий. Развитие возможности выключения ворот было решающим поворотным моментом, превращая тиристор из простого защелкивающего переключателя в полностью управляемый силовой полупроводник. По мере продолжения исследований в новых материалах и структурах устройств роль тиристора в ландшафте силовой электроники будет продолжать развиваться, обеспечивая эффективность и производительность в самых критических системах преобразования энергии в мире.