Bu alandaki iki önemli teknoloji, kapı Turn-Off Thyristors (GTO) ve sağlam devlet anahtarlarını – Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFET) ile ilgili temel bir karardır.

GTO'lar nedir?

Bir kapı Turn-Off Thyristor (GTO) sadece bir holding eşinin altında olmayan üç kişilik bir güç yarı iletkeni, bir GTO negatif bir kapı uygulamak gibi, bir GTO, geçiş döngüsüne göre daha doğrudan kontrol edebilir, GTO'nun zorlandığı yüksek güç uygulamaları için çekici hale getirebilir.

GTO'lar genellikle 6 000 V ve 4 000 A. Çok geniş bir geçici kapı yapısı ile yapılan dört katmanlı p-n-p-n cihazlar olarak inşa edilirler.Onlar, bazı birimlerde ham güç kullanımının birincil endişe verici olduğu kabul edilebilir.

GTO'ların Anahtar Özellikleri

  • [FONT:0)Biyolojik davranış:[Dönergeler, uygun yapılandırıldığında her iki yönde de geçerli olabilir, ancak genellikle tek yönlü devrelerde antiparallel diyotlarla kullanılırlar.
  • [FONT:0) Yüksek dalgalanma mevcut kapasiteye göre:[DDDK 1] GTO'lar kısa süreler için büyük aşırı yükleme akımlarına dayanabiliyor, onları hata koşullarında sağlam hale getiriyor.
  • [FONT=0)Gate- kontrollü dönüş-off: Olumsuz bir kapı mevcut nabız dış devre bileşenleri olmadan zorla kompresyona izin verir.
  • [FONT:0]Snubber gereksinimleri:[Döneticiler: GTO'lar genellikle sabit devreleri (RCD ağları) devre dışı bırakmak için dv/dt ve devre dışı bırakmak için, bu da maliyet ve devre karmaşıklığı sağlar.

Solid-State Anahtarları Nedir?

“solid-state switch” terimi, şu anki kontrol edilen GTO'ların aksine, MOSFET ve IGBTs'in gerilim kontrollü cihazlarla elektrik gücünü değiştirmek için tasarlanmış geniş bir yarı iletken cihazlar içerir.Bu temel fark, güç elektronikleri bağlamında Power MOSFET'ler ve IGBTs'ler.

Power MOSFETs

MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) kaynağı ve drenaj arasındaki bir iletken kanalı kontrol eden bir kapıya güvenmektedir. Bunlar çoğunluk-karrier depolama süresine sahip değildir ve böylece mikrosaniyelere son derece hızlı geçiş yapar. Power MOSFETs düşük maliyetli bir kanal (daha düşük maliyetli 200 V), DC-DC dönüştürücüler gibi yüksek frekanslı uygulamalar için en uygun maliyetlidir.

IGBTs

IGBTs (İklimsiz Bipolar Transistörler) girdi aşamasında bir MOSFET'yi bir araya getirir. Bu hibrit tasarım yüksek bir girişten (kolay kapı sürücüsü) ve düşük yüksek gerilimlerde bile yüksek kesintilerde düşüş sağlar (600 ila 6 500 V). IGBTs, MOSFET'den daha yavaştır (mikrosaniyeler için onlarca mikrosaniyeye kadar) ancak GTO'den daha hızlı hale getirir.

Diğer Katı-Devlet Anahtarları

Diğer ilgili cihazlar JFET'ler (Junction Field-Effect Transistors), SiC ve GaN geniş bantgap transistörleri (bu da daha düşük kayıplar ve daha yüksek sıcaklık operasyonu sunuyor), ve GTO'lara karşı sağlam-devlet savunucuları (SSR) bir kombinasyon kullanıyor.

GTO ve Solid-State Anahtarları arasındaki Anahtar Farklar

Bilgili bir seçim yapmak için, mühendisler yan yana birkaç performans parametrelerini değerlendirmelidir. Aşağıdaki bölümler en önemli ayrımları kırır.

Kapı Sürücü Gereksinimleri

GTO'lar yüksek çözünürlüklü bir kapı pulu (tipik olarak 10-20 A için birkaç mikrosaniye) ve boş bir kaç volta (tipsiz olarak 10-15 V) kapıya uygun olarak kullanılabilir.Bu ihtiyaçlar karmaşıktır, aynı zamanda yüksek hızlı güç yetenleri ile birlikte birkaç volta sahiptir, aksine, sağlam bir güç parçaları için daha basit bir sürücü devrelerine ihtiyaç duyar.

Hız ve Frekansı

Solid-state anahtarları, özellikle de MOSFETs, 1 MHz'den fazla frekanslara geçiş yapabilir. IGBTs genellikle 50-100 kHz. GTO'lar için azınlık-karrier depolama etkileri ve snubber devreleri için ihtiyaç duyduğu için, genellikle birkaç yüz hertz'ı birkaç kilo almaya çalışır.

Verimlilik ve Kayıplar

Güç cihazlarındaki kayıplar, yavaş dönüş ve snubber deşarjları nedeniyle nispeten yüksek (enerji geri dönüş sırasında kesintiye uğrar) ve hıza geçiş (SPT) teknolojisi ve süperjun MOSFETs – birçok işletim noktası ile düşük iletim ve geçiş kayıpları nedeniyle nispeten yüksek seviyede. ancak, son derece yüksek frekanslı senaryolarda (örneğin, düşük frekanslı) GGBTs ile kıyasla kabul edilebilir.

Güç işleme yeteneği

GTO'lar tarihsel olarak en yüksek ayrı güç seviyelerini ele almak için eşsizdir. Single GTO modülleri 6 kV ve mevcut 6 kA notlarının puanları ile üretilmektedir. IGBTs dramatik bir şekilde geliştirilmiş ve şimdi 6.5 kV / 3.6 kA'ya varıyor, ancak en yüksek gerilim seviyeleri için (örneğin, 10 kV+), GTO'lar veya yeni basın paketleri IGBTs hala kullanılıyor.

Robustness ve Yanlış Hoşgörü

GTO'lar, uzak uçsuz ancak zor hataların üstesinden gelebilir ve hızlı devreler tarafından korunmalıdır.Sağlanmış, sağlam devlet anahtarları genellikle hata koşullarından yararlanabilir (önemli olmayanlar IGBT'nin maksimum dönüş süresinden daha düşük).

Snubber Devreleri

GTO'lar neredeyse her zaman dış taksi devreleri gerektirir - özellikle de betonlar için giriş yapanlar, orta gerilim ve mevcut düzeylerde en az yük devreleri ile çalışabilirler. IGBTs hala yüksek gerilim veya yüksek hızda nakit paraları alabilir, ancak özellikle de GTO'lar için gerekli olandan daha basit.

Termal Yönetim

Daha yüksek iletim ve geçiş kayıpları nedeniyle, GTO'lar modern IGBTs ve MOSFET'lerden daha fazla ısı üretiyorlar. Bu, küçük form faktörlerinde yüksek enerji yoğunluğuna ve bazen birden çok cihazla paralelleşiyor. Solid-state anahtarları, daha kompakt termal tasarımları sağlar. Wide-bandgap transistörleri (SiC ve GaN) daha da serin çalışır, küçük form faktörlerinde yüksek enerji yoğunluğuna izin verir.

Uygulama Senaryoları: GTO vs. Solid-State

Bir GTO ve sağlam devlet geçişi arasındaki seçim nadiren mutlakdır - projenin özel gereksinimlerine bağlıdır. Aşağıda her teknolojinin öne çıktığı temsilci uygulamalardır.

Uygulamaları En İyi GTO'lar

  • [FONT:0) Büyük endüstriyel makineler için yüksek güç motor sürücüleri: Bazı eski yüklemeler ve çok büyük sürücüler (megawatt aralığı) hala GTO'ları kullanıyor çünkü başlangıç ve hata sırasında dalgalanma akımlarını idare edebiliyorlar.
  • [FONT:0) Yüksek gerilim doğrudan mevcut (HUBE) iletim: ), Erken HUBE dönüştürücüler sizin aristokratlarını kullandı ve GTO'lar hala kendi kendine bağlı dönüştürücülere doğru bir yol sağladılar. IGBT tabanlı gerilim kaynağı dönüştürücüler (VSCs) şimdi yeni H999 projelerine hükmediyordu, bazı miras sistemleri ve özel tasarımları (örneğin, kapasitör-kommutlu dönüştürücüler)
  • [FONT:0)Non-switching veya yavaş-switching yüksek güç yükleri:) Büyük batarya şarj cihazı veya kontrol edilebilirleri gibi uygulamalarda, geçiş frekansının düşük olduğu (line frekansı) GTO'lar zararlarına rağmen maliyet- etkisiz hale gelebilir.
  • [FONT:0]Pulsed güç sistemleri: GTO'lar manyetik form, raylı sistemler ve pullanmış lazerler gibi uygulamalarda yüksek enerjili pulları idare edebilir.

Uygulamanın En İyileri

  • [FONT:0)Uninterruptible power resources (UPS): ), IGBTs, temiz çıkış gerilimi düzenleme ve yüksek verimlilik sunan modern online UPS sistemlerinin arka kemiğidir.
  • [FONT:0)Yenilenebilir enerji dönüştürücüleri: [Döneticileri ve rüzgar türbinleri dönüştürücüleri IGBTs (veya SiC MOSFETs for high level) DC'yi şebekeye uygun AC'ye dönüştürmek için.
  • [FONT:0) Elektrikli araçlar, trenler ve tramvaylar için devre dışı bırakma: IGBT modülleri, hızlı geçişleri, sağlamlığı ve paralellik nedeniyle modern traksiyon inverterlerinde evrensel olarak kullanılmaktadır.
  • [FONT:0) Yedeklenmiş-mode güç malzemeleri (SMPS): ), Power MOSFETs PC güç malzemeleri, şarj cihazı ve yüksek frekans ve düşük voltajın gerekli olduğu telecom retifiers.
  • [Üyetim ve kaynak: [Dönetici: 0,4] IGBTs ve MOSFETs verimli, kontrol edilebilir ısıtma için resonant dönüştürücüler olarak kullanılır.
  • [FONT:0)Aktif filtreler ve statik VAR yoldaşlar: Katı devlet anahtarları, kesin reaktif güç tazminatını sağlar.

Mühendislik Projesi için seçim Kriterleri

Hangi cihazın projeniz için daha iyi olduğuna karar vermek için, aşağıdaki parametreleri sistematik olarak değerlendirin:

Ger ve Mevcut Gereksinimler

Sisteminiz 2 kV'nin üzerinde gerilimlerde çalışır ve 500 A'nın üzerindeki mevcutlar hala uygulanabilir olabilir - özellikle de büyümelere dayanmalısınız.

Frekansı Anahtarlama

Tasarımınız 2 kHz üzerindeki frekanslarda PWM gerektiriyorsa, sağlam devlet anahtarları zorunludur. GTOs aşırı kaybı ve snubber karmaşıklığı olmadan yeterince hızlı bir şekilde değiştiremez.For line-fren geçiş (50/60 Hz), her iki seçenek de çalışır, ancak kullanım kolaylığı IGBTs'e doğru.

Verimlilik Hedefleri

Verimlilik konuların her yüzde biri – batarya destekli veya ağ destekli sistemler gibi –solid-state anahtarları (özellikle SiC veya GaN) daha düşük kayıplar sağlar. GTOs, daha az kritik olan ağ bağlantılı uygulamalarda kabul edilebilir.

Termal Kıtlamalar

Mevcut soğutma yöntemine göz atın. GTO'lar daha fazla ısı üretir, bu yüzden uzay veya hava akışı sınırlıysa, sağlam devlet anahtarları yönetmek daha kolaydır. Conversely, eğer zaten diğer amaçlar için sağlam bir sıvı soğutma sistemi varsa, GTO ısısı yönetilebilir olabilir.

Maliyet ve Müsaitlik Durumu

GTO'lar büyük ölçüde niş bileşenler haline geldi, bu da, sağlam bir devlet geçişi kullanarak, fatura-malzeme maliyetlerini ve tedariki basitleştirmekten daha pahalı olabilir. Solid-state cihazlar yüksek hacimli üretimden (automotive, tüketici elektronik) faydalanıyor ve yaygın olarak mevcut.

Design Complexity and Time to Market

Solid-state anahtarları daha basit kapı sürücüleri, daha küçük taksi devreleri sunar ve üreticilerden daha kapsamlı uygulama notları ve referans tasarımları seçebilir. IGBT veya MOSFET geliştirmeyi hızlandırabilir. GTO tasarımı, snubber ağlarında uzman uzmanlığı gerektirir, kapı sürücüsü izolasyonu ve yüksek akımlar için düzeni gerektirir.Ekmen GTO deneyiminden önce, sağlam devlet seçenekleri muhtemelen daha kolay ve daha hızlı olacaktır.

Birçok mühendis GTO'ları geri çekilmede bir teknoloji olarak görüyor. 1990'larda IGBTs'in yükselişini ve 2000'lerin ardından silikon lü (SiC) ve 2010'larda bir GTO'yu birleştiren GTO'nun (GaN) cihazlarını, yüksek performanslı bir niş uygulamalarınızla yeniden düzenlemektedir.

Çoğu yeni mühendislik projesi için, sağlam devlet anahtarları -özellikle IGBTs ve SiC MOSFETs - varsayılan seçim var. kilogram, daha basit tasarım ve daha geniş bir destek bileşenleri ekosistemi sunarlar. Ancak, uygulamanız gerçekten en yüksek güç seviyelerini gerektirir ve tasarım karmaşıklığına tahammül edebilirse, GTO'lar (veya modern türevleri) hala bir yer var.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Bir GTO ve sağlam devlet geçişi arasında seçim yapmak, evrensel olarak daha iyi bir geçiş yapmak değildir. GTO'lar mevcut kapasiteyi rekabet etmeme ve daha yavaş geçiş maliyeti, daha yüksek enerji elektronik projelerinizin büyük çoğunluğu için seçim yapmak, projenizin gerilimini analiz etmek, hızlama, daha hızlı geçiş yapmak, daha basit kapı sürücüleri, daha yüksek verimlilik ve daha kolay ısı yönetimi sağlamak, onları modern enerji elektronik projelerinin büyük çoğunluğu için tercih etmek.