Sürekli olarak daha küçük, hafif ve daha enerji verimli elektronik cihazlar devam ediyor, enerji elektronik mühendisleri elektrik trenleri ve tramvaylar için kritik bir şişeye karşı karşıya kalıyorlar ve GTO uzun süredir iş başında (GTO) kapı Turn-Off (GTO) sizin için değerli bir pozisyon tutuyor. Ancak, bu sağlam cihazlarla tanışmak için değer, elektrikli trenler ve tramvaylar için yollama sistemleri - yüksek ölçekli güç dönüştürücüler için, GTO uzun süredir iş akışları ve yüksek performanslı bir güç dönüştürücüler için uzun süredir iş akışları.

Modern kompakt güç sistemleri hem yüksek enerji yoğunluk hem de güvenilir termal performans gerektirir. Yeni geniş bant genişliği silikon (SiC) ve galium nitride (GaN) GTO'ların küçülmesi için birincil engeller, malzeme ve tasarım yenilikleri takip edilir ve gerçekten kompakt sistemler için görünüm.

GTO Bileşenleri ve Onların Rollerini Anlamak

Bir kapı Turn-Off yourristor, üç katmanlı (p-n-p-n) yarı zamanlı bir cihazla geri dönüşebilecek ve negatif bir kapı akımı pulu ile kapatılabilir.Köpektif olarak, ana akımdan ayrılmayı gerektiren bir tasarıma göre, GTO kapıdan ayrılmaya zorlanmış.

GTO'lar iki ana yapısal versiyonda mevcuttur: simetrik GTO'lar (bu da birkaç kilo amperyazarlarında eşit şekilde engeller) ve asimetrik GTO'lar (yalnızca ileri gerilimler ancak daha düşük devlet gerilim damlaları sunar).

Insated-gate bipolar transistörlerin (IGBT) gelişine ve entegre kapı-kommutluluklarınızı birçok geleneksel GTO rolüne karşı çıkarmak için uygun bir hacime sokmak için GTO, son derece yüksek akım dalgalanmaların ve sağlamlığın gerekli olduğu seçim cihazı olmaya devam ediyor.

GTO'ları Miniaturing

Elektrik ve termal performansını korumak için bir GTO fiziksel boyutunu azaltmak sadece litografinin ölçeklendirilmesi meselesi değildir. Yüksek gerilim fiziği, yüksek akım geçiş birkaç ilgili engel getirir.

Termal Yönetim ve Heatk

En acil ve kritik meydan okuma termal bir dağıtımdır. Herhangi bir güç yarı iletkeninde, kayıplar bir kilovat kadar meydana gelir (aynı veya daha yüksek güç daha küçük bir pakete zorlanırsa, ısı miktarındaki ısı miktarındaki ısı ovuşturabilir.

Yüksek ısı iletkenliği ile etkili termal yönetim, ısı boruları veya hatta immersion serinleme malzemeleri arasındaki yenilikleri gerektirir (TIMs), substrat seçimi (örneğin, yüksek ısı iletkenliği ile doğrudan bakır seramikler), ve yüksek ısı pompası gibi ileri soğutma teknikleri, ısı boruları veya hatta immersion serinleme malzemeleri arasındaki yanlış eşleştirme teknikleri, mekanik stres ve ısı direncinabilir, en yüksek ısı pompasının altında en aza indirmek için en aza indirmek için en aza indirmeli.

Elektrik Kıtlamaları: Gerilme ve Leakage Şimdiki

GTO'lar, yüksek gerilimleri kapalı durumda engellemek için tasarlanmıştır. Yüksek bir arıza gerilimi kalın, hafif bir şekilde sürüklenme alanı gerektirir.Bu bölgenin kalınlığı, gerilim engelleme kapasitesi olmadan incelenebilir. Leakage akımları için 4.5 kV GTO, herhangi bir yüzey kirliliği veya kristal defektivitenin büyük ölçüde daha büyük ölçüde daha yüksek bir kısmını temsil edebilir, ancak dikey yapı gerilimi engelleme yeteneğinden ödün vermeden incelenebilir.

Ayrıca, kapı-kömün yapısı iyi dönüş-off kazanabilme yeteneğinin optimize edilmesi gerekir - geri dönüş için gerekli olan negatif kapı akımına mevcut olan orantısız. Küçük bir ölümde, kapı-tablo arayüzü alanı sınırlı, ki bu, taşıyıcıları hızla çıkarma yeteneği azaltabilir.

Malzeme Sınırları ve Geniş Bantgap Yarı iletkenleri için Gerekli

Konvansiyonel silikon GTO'lar, yüksek gerilimli cihazlar için temel sınırlara yaklaşıyor ve gerilim bloke verimliliğini engelliyor. Silikon grubugap (1.12 eV) silikonun yaklaşık 200 °C'ye kadar maksimum işletim ısısını sınırlandırıyor ve kritik elektrik alanı (yaklaşık 0.3 MV/cm) yüksek gerilimli cihazlar çok kalınca sürüklenme gerektiren anlamına geliyor (SiC: 2,0 MV / 8 cm) ve WV / W / C) gibi daha yüksek ısıtıcı malzemelere dönüşüyor.

Ancak, maddi zorluklar devam etmektedir. Yüksek kaliteli SiC wafers pahalı ve büyük hacimli tek kristaller hala hızlarını engellemeden kusurları olmadan üretmek zordur. GaN için, dikey cihaz yapıları (yüksek gerilim GTO benzeri davranışlar için) daha az olgundur. Ek olarak, geniş bantgap GTO'lar için üretim süreçleri - ohmik, kapı dielektrik arabirimleri ve kenarlar dahil olmak üzere - belirgin bir gelişmedir - silikon ile karşılaştırılabilir.

Ambalaj ve Interconnect

GTO çiplerinin minimizasyonu, ambalajlarda gelen ilerlemelere eşlik etmelidir. Geleneksel bir GTO'da, ölüler tel tahvillerinde kalın bir molybdenum veya bakır temel plakaya monte edilir ve alüminyum kurdeleler veya bakır klipler gibi bağlantı kurulabilir, ancak onlar da karmaşıklık eklemek için karmaşıklaşırlar.

Dahası, kapı ve kedihode terminalleri arasındaki izolasyon fiziksel olarak yakın olduğunda daha zor hale gelir. Kapı döngüsündeki Parasitic, oscillations'ya neden olabilir ve üretim maliyetlerini azaltır. Gelişmiş paketleme yaklaşımları - çift taraflı soğutma gibi, aynı substratlarda gömülür veya bütünleştirilmiş kapı sürücülerin yanı sıra - bu sorunları ele almak için araştırılır.

Parasitik Etkileri ve Kayıpları Değiştirin

Bir minimüreli GTO, parasitic kapasitances ve indüktörler, aktif bölgeye daha önemli bir şekilde bağlı hale gelir. Örneğin, koleksiyoncu-gate kapasitance (Cgc) yüksek frekanslı geçiş sırasındaki yerinden edilme miktarını belirler. Daha küçük bir kavim alanı ile daha küçük bir aksaklığı daha düşük kapasiteli bir cihazdır, bu da hız için faydalı olabilir, ancak bağlantı ve paket parasitics hakim olabilir.

Bu parasitics, yarı iletken cihazın ve ambalajlarının tasarımını gerektirir. dikey sich kapı yapıları, interdigitated kapı-cathode geometrileri ve düşük kanal kullanımı zaten büyük GTO'larda yaygındır ve daha küçük ayak izi için adapte edilmelidir.

Teknolojik Yenilikler Yolunu Kazanıyor

Zorluklara rağmen, birkaç umut verici teknolojik gelişme GTO miniaturizasyonunu sağlıyor.

Geniş-Bandgap yarı iletkenleri: SiC ve GaN GTOs

Silikon GTO'lar (ayrıca SiC GTO'lar veya SiC süper-GTO’lar) 10 kV ve üstü, silikon ile kıyasla dramatik olarak azaltılmış özel olarak azaltıldı. Daha yüksek kritik alan, SiC'nin yüksek ısı geçişi için 5-10'un bir faktörü ile birlikte çok ince bir alan, daha yüksek enerji yoğunluğuna izin veren 10 kV SiC GTO'nun üzerinde yüksek ısı geçişinin daha küçük bir pakette gerçekleşmesine izin veriyor.

GaN tabanlı dikey cihazlar daha az olgun ancak düşük gerilimler için potansiyel gösteriyor (600-1200 V) son derece hızlı geçiş hızları ile. A GaN GTO benzeri bir cihaz (dönüşüm için bir p-GaN kapısı) çok düşük şarj depolama sağlayabilir, yüksek frekanslı işlemleri kompakt güç dönüştürücüler için. ancak mevcut GaN GTO gösterileri çoğunlukla araştırma laboratuarlarındadır ve ticari kullanılabilirlik birkaç yıl uzaktadır.

Yeni Cihaz Yapıları: IGCTs ve ETO Thyristors

Tümleşik kapı-Commutated Thyristor (IGCT), GTO'nun yerleşik kapısı sürücüsünün çok yakın olduğu GTO'nun yüksek çözünürlükte yer aldığı doğrudan bir evrimdir. Bu entegrasyon, dönüşteki kayıpları azaltır ve cihazı kompakt bir konutta ele geçirebilmeye olanak sağlar. IGCT'ler, GTO'nun inşa edilmiş bir kapı ünitesi ile birlikte ölmesine izin veren modüllerden oluşuyor.

Emitter Turn-Off (ETO) Yourristor, GTO'nun kedihode akımını tamamen yeni yarı iletken bir tasarım gerektirmeden bir seri MOSFET ve kontrol devresi kullanarak standart GTO'nun inşa edilmesi gereken başka bir değişkendir.

Gelişmiş Ambalaj ve Termal Çözümler

Ambalaj cephesinde, doğrudan bakır (DBC) substratlar gibi teknikler, aktif metal sönük ve düşük uçlu için gümüş sintering, yüksek performanslı tasarımları için standart hale geliyor, örneğin, ABB'nin HiPak hattı IGCT modülleri, çift taraflı soğutma ve düşük yükleme izin veren bir tuvalet kullanıyor. Miniaturized versiyonları, elektrikli araç tasarımları gibi uygulamalar için geliştiriliyor.

Termal yönetim yenilikleri, buhar odalarının veya mikro kanal soğutucularının doğrudan modül baz plakasına entegre edilmesini içerir. Bazı araştırmalar grupları kısa vadeli aşırı yükleme koşulları sırasında faz değiştirme malzemelerinin (PCMs) kullanımını araştırıyor.Bu tür çözümler, daha küçük bir ısı batağı sıcaklığının güvenli bir kavim ısı geçişinin devam etmesine izin verir.

Dijital Twin ve Optimize Edilmiş Tasarım için Modelleme

Sanal uygulama süresiz devre modelleri (FEM) ve devre düzeyinde simülasyon, mühendislerin tasarım alanını pahalı test yükleri olmadan optimize etmesini sağlar. Kombinasyonel ısı, elektrik ve mekanik simülasyonlar, belirli kompakt uygulamalar için optimal geometrileri tanımlayabilir. Makine öğrenme algoritmaları bazen yüklenebilir.

Future Outlook ve Uygulamaları

Önümüzdeki sefere, GTO bileşenlerinin devam eden minimizasyonu, güç elektroniklerinde dönüştürücü değişiklikler sağlayacaktır. En acil etki elektrik araç (EV) traksiyon sürücülerinde olacaktır, kabin preurizasyon ve propulsion. Miniaturized GTO-based çözümlerle birlikte, güçlü hata kontrolü ile gerekli güç yoğunluğunu azaltabilir.

Ağa kapalı sistemlerde, kompakt GTO'lar HUBE dönüştürücü istasyonlarda daha yüksek güç yoğunluğuna izin verecek ve sağlam devlet transformatörlere yol açma yeteneğine sahip olacaklar.Mevcut hataların (rahi şu anki kapasite) IGBTs'in üzerinde önemli bir avantajdır.Rektör modüllerin ayak izin verirken bu sağlamlığı koruyan bir GTO'lar bu sağlamlığı koruyacaktır.

Silikonun ötesinde, SiC ve GaN GTO teknolojisinin maturasyonu, yüksek sıcaklıklı endüstriyel fırınlar ve derin uzay gücü yönetimine yol açacaktır (S.C. için 300°C'ye kadar), soğutma gereksinimlerini azaltıp, toplam sistem hacmini azaltır. Bu, büyük topraklı güç cihazları için kapı açmak, yüksek sıcaklık endüstriyel fırınlarda% 50'lik bir miktar daha pahalıya mal oluyor.

Son olarak, GTO teknolojisinin dijital kontrol ve gelişmiş paketleme ile yakınlaştırılması, ev aletlerinden endüstriyel robotiklere kadar her şeyin verimli güç dağıtımını basitleştirecektir.

[FONT:0] Araştırma devam ettikçe, GTO miniaturizasyonda daha fazla ilerleme bekleyebiliriz. Bu gelişmeler elektronik ve enerji yönetiminde daha kompakt, verimli güç cihazları sağlayacaktır. ”

).

Özetle, GTO'ların miniaturized GTO'lara giden yol, hem engeller hem de fırsatlarla açılıyor. Termal yönetim, malzeme sınırları ve parasitics yenilikçi çözümler, geniş bantlı yarı iletkenler, gelişmiş cihaz yapıları ve paketleme atılımları, GTO'ların gelecekteki büyüklüğü sadece yarı iletken fizik tarafından belirlenmeyecek, ancak tüm sisteme uygulanan mühendislik yaratıcılığı tarafından belirlenecektir - latticeden gelen değiştirilebilir.