Рассмотрим отдельно и более подробно этот класс силовых тиристоров, поскольку в России его обсуждают и о нем пишут гораздо реже. С этой целью используем материалы работ [6, 17, 18, 19]. Для устранения основного недостатка традиционных тиристоров вскоре после их создания стали проводиться исследования с целью обеспечить их выключение по управляющему электроду. Главная проблема состояла в обеспечении быстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях. Первые такие тиристоры появились в 1960 г. в США и получили название Gate Turn Off (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые, или выключаемые, тиристоры.
Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, который включается и выключаются соответственно подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. Различия в структурах приборов заключаются в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и р-проводимостями. Катодный слой N разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Например, полупроводниковый кристалл диаметром 91 мм имеет 2000 сегментов, каждый из которых может запирать ток до 2 А. Поскольку все сегменты кристалла соединены параллельно, то суммарный запираемый ток составит 4000 А при одновременном срабатывании всех сегментов. Вследствие этого обеспечивается равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора. Анодный слой P имеет шунты (зоны N-), соединяющие N-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий «извлечения» зарядов из базовой области N. Несколько слов об особенностях работы тиристора GTO.
В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние. При включении запираемые тиристоры предъявляют жесткие требования к крутизне фронта dIG/dt и амплитуде IGM тока управления. Использование тиристоров GTO требует обязательного применения специальных защитных цепей для ограничения скорости нарастания тока dIT/dt. При выключении тиристора GTO при неизменной (положительной) полярности напряжения UT к управляющему электроду и катоду прикладывается управляющее напряжение отрицательной полярности (-UG). Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое P-. По мере освобождения от них тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока IT тиристора за короткий промежуток времени. После того как вся энергия, запасенная в индуктивности цепи управления, будет израсходована, ток через тиристор равен току утечки, который протекает от анода к катоду. В режиме блокирующего состояния к управляющему электроду и катоду остается приложенным напряжение отрицательной полярности (-UG) от устройства управления. При включении всем типам GTO требуется защитная цепь, ограничивающая скорость нарастания прямого тока, — индуктивный реактор (дроссель). При выключении запираемому тиристору необходима защита от скорости нарастания прямого напряжения — RCD-цепь (снаббер), о которой было сказано выше. Запираемый тиристор оптимизирован для низких потерь в проводящем состоянии. Типичная частота переключения — от 50(60) до 200-300 Гц для классического GTO. Приборы GTO по своей природе являются сравнительно медленными ключами. Среднее время перехода от включенного к выключенному состоянию и обратно составляет от 10 до 30 мкс.
Основное конструктивное исполнение тиристоров GTO — таблеточное с четырех-слойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения. Все запираемые тиристоры фирмы ABB Semiconductors (ABB) [20], одного из ведущих производителей GTO, выпускаются в таблеточных корпусах.
Сейчас тиристоры GTO производят более десятка фирм: Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, ABB, Eupec и другие. Параметры тиристоров по напряжению UDRM: 2500; 4500; 6000 В; по току ITGQM (максимальный повторяющийся запираемый ток): 1000; 2000; 2500; 3000; 4000; 6000 А. Так, фирма ABB в 2007 г. выпускала 15 типономиналов GTO (3 номинала напряжения, 5 типоразмеров таблеточных корпусов): от 2500 до 6000 В и от 1500 до 4000 (6000) А. Для примера, GTO этой фирмы типа 5S30J4502 имеет следующие параметры: UDRM = 4500 В, IGQM = 3000 А, ITSM = 32000 А (10 мс, 125 °C), UT0= 2,2 В, f
В середине 90-х годов фирмами ABB Semiconductors (ABB) и Mitsubishi Electric Semiconductor (Mitsubishi) [21] был разработан новый вид тиристоров — запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода, получивший название тиристор с жестким управлением (HDGTO), или Gate Commutated Thyristor (GCT). GCT разрабатывался как прибор, лишенный недостатков, характерных для GTO. Вследствие этого процессы, происходящие при его выключении, заметно изменились. В частности, сделав тиристор нечувствительным к эффекту dUT/dt, стало возможным отказаться от снабберной цепи, что и было реализовано в конструкции GCT.
Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение. Оно достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, что делает прибор нечувствительным к эффекту du/dt. В фазах включения, проводящего и блокирующего состояний GCT управляется так же, как и GTO. Управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления dIG/dt, равной 3000 А/мкс и более (для тиристоров GTO значение dIG/dt составляет 30-40 А/мкс).
При выключении после подачи отрицательного импульса управления (-Ig), равного по амплитуде величине анодного тока (Ia) весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в устройство управления и достигает катода, минуя переход между областями P- и N-. Этот переход смещается в обратном направлении, и катодный n-p-n-транзистор закрывается. Дальнейшее выключение GCT аналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнего ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt. Изменение конструкции GCT связано с тем, что динамические процессы, возникающие в приборе при выключении, протекают на один-два порядка быстрее, чем в GTO. Так, если минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления при выключении GCT составляет 3000 А/мкс, GTO — не превышает 40 А/мкс. Для обеспечения высокой динамики коммутационных процессов пришлось изменить конструкцию вывода управляющего электрода и соединение прибора с формирователем импульсов УУ. Вывод сделан кольцевым, опоясывающим прибор по окружности. Кольцо проходит сквозь керамический корпус тиристора и внутри контактирует с ячейками управляющего электрода. Снаружи контакт осуществляется с пластиной, соединяющей управляющий электрод с формирователем импульсов.
Тиристоры GCT, выпускаемые фирмами Mitsubishi и ABB, рассчитаны на напряжение UDRM до 6500 В и ток ITGQM до 4000 А [20, 21]. Так, в частности, GCT типа GCU08AA-130 (Mitsubishi) имеет следующие параметры: UDRM = URRM = 4500 В, ITQRM = 3000 А, IT(AV) = 330 А, ITSM = 800 А (8,3 мс; 115 °C), UT = 6,8 В (800 A), dU/dt=3000 В/мкс f
В настоящее время тиристоры GCT и GTO освоены ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [6, 12], в частности тиристоры серий ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА- 193, ЗТФ-193 (подобен GCT) и др. У этих тиристоров диаметр кремниевой пластины — до 125 мм, напряжение UDRM = 1200-6000 В и ток ITGQM = 630-4000 А.
Приведем примеры применения мощных запираемых тиристоров из зарубежного опыта [22]. В Германии в середине 1990-х годов, например, в крупной компании DBEnergie длина сети линий тягового электроснабжения частотой 16213 Гц составляла 7400 км и была гальванически связана с системой воздушных линий напряжением 110 кВ. Через 150 тяговых подстанций железных дорог Германии осуществлялось понижение напряжения до 15 кВ для подачи в контактную сеть. В течение нескольких десятилетий использовались только электромашинные преобразователи. Преобразовательный агрегат представляет собой сложную электромеханическую систему, состоящую из трехфазного двигателя, питаемого напряжением частотой 50 Гц, и смонтированного на одном валу с ним однофазного генератора, вырабатывающего напряжение частотой 16213 Гц. Несмотря на относительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты, электромашинным преобразователям в течение многих лет отдавалось предпочтение перед статическими. Одна из причин — то, что машинные преобразователи в силу своей инерционности и благодаря наличию мощных фундаментов надежно защищали сеть с частотой 50 Гц от гармоник 33113 Гц, генерируемых в процессе преобразования частоты 50 Гц в 16213 Гц.
Для их замены были использованы преобразователи с промежуточным звеном постоянного напряжения и автономные инверторы на GTO. Сеть трехфазного тока частотой 50 Гц в этом случае защищают от гармоники 33113 Гц с помощью фильтра, рассчитанного на эту частоту. Выходной инвертор преобразователя состоит из отдельных независимо регулируемых ступеней, каждая из которых реализована как четырехквадрантный регулятор (4QS), собранный по двух- или трехточечной схеме. Выходы этих ступеней гальванически разделяются с помощью трансформаторов, вторичные обмотки которых соединяют последовательно. Так, преобразователь в Джубьяско мощностью 25 МВт имеет 12 выходных 4QS-ступеней, в которых каждый схемный вентиль реализован на одном тиристоре GTO фирмы АВВ. Суммированием выходных напряжений и смещением такта их включения обеспечивается такой низкий уровень гармоник, что практически отпадает потребность в сетевом фильтре. При этом запираемые тиристоры должны работать с пониженной тактовой частотой, чтобы обеспечивались низкие потери, высокий КПД и достаточный резерв для реакции на динамические процессы в тяговой сети. Первоначально рассматривался вариант с использованием для инверторов запираемых тиристоров GTO с рабочим напряжением до 6 кВ и током в пределах 6 кА. Но в этом случае выходные токи фазовых модулей стали бы слишком большими, что потребовало бы значительно повысить механические требования к конструкциям модулей и распределительных устройств. Если же использовать последовательное соединение менее мощных, широко используемых тиристоров GTO, то у них время нарастания тока управляющего электрода, а значит, и время запирания тиристора составляет несколько микросекунд с определенным разбросом. В то же время для последовательного соединения необходимо иметь тиристоры, которые должны запираться строго одновременно. Конечно, существуют различные схемы, с помощью которых можно достичь одновременности срабатывания, но они усложняют схему, увеличивают габариты преобразователя и его стоимость. Решение задачи последовательного соединения стало возможным с появлением запираемых тиристоров типа HDGTO (GCT) с жестким управлением, у которых темп нарастания тока управляющего электрода увеличен более чем в 100 раз по сравнению с обычными GTO. Если у тиристоров GTO разброс по времени нарастания тока в цепи управления составляет в лучшем случае ±2 мкс, то у HDGTO он не превышает ±100 нс, что дает возможность соединять их последовательно без подбора. Поскольку все сегменты кристалла отключаются одновременно, емкость обычно используемой снабберной цепи может быть уменьшена, что повышает общий КПД системы. Последовательное соединение запираемых тиристоров в схеме преобразователя с частотой на выходе 16213 Гц позволяет включать в его схему резервные HDGTO, что дает несколько преимуществ. В частности, при выходе из строя тиристора замена его резервным происходит автоматически без отключения преобразователя. Отключение возможно лишь в том случае, если число вышедших из строя тиристоров в одном схемном вентиле больше, чем было предусмотрено резервных.
Следующим крупным достижением жестко управляемых GTO (HDGTO) стало создание запираемого тиристора с интегрированным устройством управления (драйвером) — Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT). Благодаря технологии жесткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем. Так же как и для GCT, для IGCT не требуется никаких защитных цепей от превышения d«l dt. Это оказалось возможным благодаря контролю примесных профилей, применению меза-технологии, протонного и электронного облучения для получения нужного распределения рекомбинационных центров. Существенную роль сыграла и технология так называемых прозрачных, или тонких, эмиттеров, а также формирование буферного слоя в N-базовой области. УУ должно «питаться» от внешнего источника c напряжением 28-40 В. Мощность управления в среднем составляет 20-50 Вт и снижена примерно в 5 раз по сравнению со стандартными GTO. При интегрированном УУ величина катодного тока снижается до того момента времени, как анодное напряжение начинает увеличиваться. Это происходит за счет очень низкой индуктивности цепи управляющего электрода, реализуемой за счет коаксиального соединения управляющего электрода в сочетании с многослойной платой УУ. В результате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока до 4 кА/мкс. При напряжении управления UGK = 20 В, когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходит в УУ, которое имеет в этот момент низкое сопротивление. За счет этого потребление энергии блоком управления минимизируется. Работая при «жестком» управлении, тиристор переходит при запирании из p-n-p-n-состояния в p-n-p-режим за 1 мкс. Выключение происходит полностью в транзисторном режиме, устраняя всякую возможность возникновения триггерного эффекта.
Для максимальной помехоустойчивости и компактности устройство управления конструктивно окружает IGCT, формируя единую конструкцию с охладителем. Оно содержит только ту часть схемы, которая необходима для управления непосредственно IGCT. Благодаря этому уменьшено число элементов УУ и снижены параметры теплорассеяния, электрических и тепловых перегрузок, а также повышена надежность. Тиристор IGCT, с его интегрированным УУ, легко фиксируется в модуле и точно соединяется с источником питания и источником управляющего сигнала через оптоволоконную линию. При работе IGCT без снаббера обратный диод тоже должен работать без снаббера. Этим требованиям соответствует высокомощный диод в прижимном корпусе с улучшенными характеристиками, созданный с использованием процесса облучения в сочетании с классическими процессами. Возможности по обеспечению di/dt определяются работой диода.
Средняя частота переключения IGCT составляет 500 Гц. Малые потери переключения позволяют тиристорам этого типа с напряжением 6,5 кВ работать на частотах до 600 Гц, а приборам на напряжение 4,5 кВ — на частоте 1 кГц в непрерывном режиме и кратковременно — на частотах до 40 кГц. Другие характеристики IGCT: напряжение в открытом состоянии составляет 2 В (при токе 4 кА); тепловое сопротивление — 8,5 °C/кВт. Максимально допустимый средний прямой ток равен 1700 А (при температуре корпуса 85 °С), что позволяет отказаться от параллельного включения IGCT для получения требуемого тока. Основной производитель IGCT — компания АВВ. На базе IGCT компании ABB без параллельного или последовательного включения IGCT созданы преобразователи мощностью более 15 МВт. А параллельное включение, по утверждению специалистов компании, позволит реализовать преобразователи мощностью 100 МВт и довести мощность последующих поколений статических преобразователей энергосистем до 300 МВт.
Параметры тиристоров IGCT фирмы ABB [20]: по напряжению UDRM = 4500; 6000 В; по току ITGQM = 3000; 4000 А. Так, IGCT типа 55HY35L4510 этой фирмы имеет следующие параметры: UDRM = 4500 В, IGQM= 4000 А, ITSM = 32000 А (10 мс, Т = 125 °C), пороговое напряжение включения UT0 = 1,4 В, f
Другой пример по применению запираемых тиристоров также из немецкого опыта. Показательным является сравнение двух эксплуатирующихся в Карлсфельде идентичных статических преобразователей, содержащих последовательно соединенные запираемые тиристоры АВВ. Общая мощность 100/132 МВ-А обеспечивается двумя блоками мощностью соответственно 50/66 МВ-А. Каждый из преобразователей имеет восемь выходных ступеней, содержащих по m+n = 5 включенных последовательно тиристоров на один схемный вентиль, при этом резерв n = 1. Таким образом, каждый блок содержит 160 запираемых тиристоров. Один из преобразователей построен на запираемых тиристорах GCT (HDGTO), а второй — на IGCT (с прозрачным анодом). Прежде чем переоборудовать один из блоков с заменой GCT на IGCT, компанией ABB (совместно с Adtranz) был проведен ряд контрольных мероприятий (по существу — испытания на надежность), в частности:
получение сертификата изготовителя, подтверждающего низкое сопротивление тиристоров в проводящем состоянии; эксплуатационные испытания тиристоров IGCT в течение 3000 ч в схеме отдельного четырехквадрантного регулятора, собранного из расчета: один тиристор (m = 1) на один схемный вентиль. Здесь тиристоры использовались без снабберной цепи и переключались с частотой, в 7 раз превышающей рабочую частоту преобразователя тягового электроснабжения; проверка распределения напряжения между пятью тиристорами IGCT, включенными последовательно, и влияния индуктивности рассеяния, проводившаяся методом подачи одиночных импульсов; проверка в режиме продолжительной максимальной нагрузки работоспособности тиристоров IGCT в модуле с двумя выходными ступенями, содержащими в одном схемном вентиле пять последовательно включенных тиристоров. Исследование тиристоров по окончании серии проверочных испытаний показало, что с ними не произошло никаких изменений.
Практика доказала высокую надежность GTO, которые могут работать без отказов в течение нескольких лет в жестких режимах переменных нагрузок, как это имеет место в преобразователях для тягового электроснабжения. Преобразователи на IGCT имеют значительно меньшее число схемных компонентов за счет отсутствия снабберной цепи и схем ограничения скорости нарастания тока dI/dt, а также в связи с упрощением схем управления тиристорами. Благодаря этому они имеют меньшие потери мощности. При почти одинаковой с GTO устойчивости к режимам переменных нагрузок надежность IGCT в принципе выше.
В заключение отметим, что основным стимулом развития новых поколений запираемых тиристоров (GTO) и совершенствования их характеристик стала конкуренция с быстро развивающимся с начала 90-х годов новым классом силовых приборов — IGBT. Как будет показано далее (в 3 части этой статьи), основными преимуществами IGBT, по сравнению с GTO, являются простота и компактность схем управления (малый ток управления), высокие значения КПД и рабочей частоты. Появление в последние годы модулей IGBT с рабочим напряжением до 4500 В и более, с токами в несколько тысяч ампер привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1М Вт и напряжением до 3500 В. Однако новые запираемые тиристоры IGCT имеют более высокие параметры по сравнению с GTO и способны работать с частотами переключения от 500 Гц до 2 кГц. Благодаря этому, а также оптимальной комбинации хорошо освоенных технологий тиристоров с присущими им низкими потерями, высокоэффективной (бесснабберной) процедурой выключения, тиристоры IGCT имеют реальный шанс для применения в области силовой электроники среднего и высокого напряжений.
Для иллюстрации развития отечественных запираемых тиристоров приведем особенности и параметры современных фототиристоров класса IGCT производства ОАО «Электровыпрямитель» [12]. Так, фототиристор ТФ253-630 имеет следующие параметры: UDRM = URRM = 5000-6400 В, IT(AV) = 630 А (+85 °C), ITSM = 12000 А (+125 °C), защитный показатель I&sub2;t = 720 кА&sub2;с, UTM>2,8 В. Впечатляет, что при указанных больших значениях тока открытого фототиристора значение тока удержания (IH) составляет не более 150 мА. Допустимые значения скорости нарастания тока и напряжения соответственно 300 А/мкс и 2000 В/мкс. Конструкция — таблеточная, тепловое сопротивление Rth JC = 0,02 °C/Вт. Оптическая мощность управления равна 40 мВт (среднее значение). Параметры быстродействия: задержка на включение — не более 5 мкс, время выключения — не более 630 мкс.
Еще более мощным является высоковольтный фототиристор типа ТФ 183-2000-70 этого же производителя: UDRM = URRM = 8000 В, IT(AV) = 2000-2500 А, ITSM = 80000 А, защитный показатель I²t = 2,5х106 Дж (2000 мкс). Прибор имеет встроенный лазерный диод, LTT-адаптер и снабжен оптоволоконным кабелем. Фототиристор ТФ 183-2000-70 применяется в мощных импульсных генераторах, компенсаторах реактивной мощности, преобразовательных устройствах ЛЭП. Производитель поставляет готовые унифицированные преобразовательные модули на напряжение до 12 кВ и ток до 2,5 кА на основе последовательного соединения указанных фототиристоров.
Радиотворчество.
:Алексей Богомолов
Запираемые тиристоры
Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, который включается и выключаются соответственно подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. Различия в структурах приборов заключаются в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и р-проводимостями. Катодный слой N разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Например, полупроводниковый кристалл диаметром 91 мм имеет 2000 сегментов, каждый из которых может запирать ток до 2 А. Поскольку все сегменты кристалла соединены параллельно, то суммарный запираемый ток составит 4000 А при одновременном срабатывании всех сегментов. Вследствие этого обеспечивается равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора. Анодный слой P имеет шунты (зоны N-), соединяющие N-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий «извлечения» зарядов из базовой области N. Несколько слов об особенностях работы тиристора GTO.
В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние. При включении запираемые тиристоры предъявляют жесткие требования к крутизне фронта dIG/dt и амплитуде IGM тока управления. Использование тиристоров GTO требует обязательного применения специальных защитных цепей для ограничения скорости нарастания тока dIT/dt. При выключении тиристора GTO при неизменной (положительной) полярности напряжения UT к управляющему электроду и катоду прикладывается управляющее напряжение отрицательной полярности (-UG). Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое P-. По мере освобождения от них тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока IT тиристора за короткий промежуток времени. После того как вся энергия, запасенная в индуктивности цепи управления, будет израсходована, ток через тиристор равен току утечки, который протекает от анода к катоду. В режиме блокирующего состояния к управляющему электроду и катоду остается приложенным напряжение отрицательной полярности (-UG) от устройства управления. При включении всем типам GTO требуется защитная цепь, ограничивающая скорость нарастания прямого тока, — индуктивный реактор (дроссель). При выключении запираемому тиристору необходима защита от скорости нарастания прямого напряжения — RCD-цепь (снаббер), о которой было сказано выше. Запираемый тиристор оптимизирован для низких потерь в проводящем состоянии. Типичная частота переключения — от 50(60) до 200-300 Гц для классического GTO. Приборы GTO по своей природе являются сравнительно медленными ключами. Среднее время перехода от включенного к выключенному состоянию и обратно составляет от 10 до 30 мкс.
Основное конструктивное исполнение тиристоров GTO — таблеточное с четырех-слойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения. Все запираемые тиристоры фирмы ABB Semiconductors (ABB) [20], одного из ведущих производителей GTO, выпускаются в таблеточных корпусах.
Сейчас тиристоры GTO производят более десятка фирм: Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, ABB, Eupec и другие. Параметры тиристоров по напряжению UDRM: 2500; 4500; 6000 В; по току ITGQM (максимальный повторяющийся запираемый ток): 1000; 2000; 2500; 3000; 4000; 6000 А. Так, фирма ABB в 2007 г. выпускала 15 типономиналов GTO (3 номинала напряжения, 5 типоразмеров таблеточных корпусов): от 2500 до 6000 В и от 1500 до 4000 (6000) А. Для примера, GTO этой фирмы типа 5S30J4502 имеет следующие параметры: UDRM = 4500 В, IGQM = 3000 А, ITSM = 32000 А (10 мс, 125 °C), UT0= 2,2 В, f
В середине 90-х годов фирмами ABB Semiconductors (ABB) и Mitsubishi Electric Semiconductor (Mitsubishi) [21] был разработан новый вид тиристоров — запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода, получивший название тиристор с жестким управлением (HDGTO), или Gate Commutated Thyristor (GCT). GCT разрабатывался как прибор, лишенный недостатков, характерных для GTO. Вследствие этого процессы, происходящие при его выключении, заметно изменились. В частности, сделав тиристор нечувствительным к эффекту dUT/dt, стало возможным отказаться от снабберной цепи, что и было реализовано в конструкции GCT.
Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение. Оно достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, что делает прибор нечувствительным к эффекту du/dt. В фазах включения, проводящего и блокирующего состояний GCT управляется так же, как и GTO. Управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления dIG/dt, равной 3000 А/мкс и более (для тиристоров GTO значение dIG/dt составляет 30-40 А/мкс).
При выключении после подачи отрицательного импульса управления (-Ig), равного по амплитуде величине анодного тока (Ia) весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в устройство управления и достигает катода, минуя переход между областями P- и N-. Этот переход смещается в обратном направлении, и катодный n-p-n-транзистор закрывается. Дальнейшее выключение GCT аналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнего ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt. Изменение конструкции GCT связано с тем, что динамические процессы, возникающие в приборе при выключении, протекают на один-два порядка быстрее, чем в GTO. Так, если минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления при выключении GCT составляет 3000 А/мкс, GTO — не превышает 40 А/мкс. Для обеспечения высокой динамики коммутационных процессов пришлось изменить конструкцию вывода управляющего электрода и соединение прибора с формирователем импульсов УУ. Вывод сделан кольцевым, опоясывающим прибор по окружности. Кольцо проходит сквозь керамический корпус тиристора и внутри контактирует с ячейками управляющего электрода. Снаружи контакт осуществляется с пластиной, соединяющей управляющий электрод с формирователем импульсов.
Тиристоры GCT, выпускаемые фирмами Mitsubishi и ABB, рассчитаны на напряжение UDRM до 6500 В и ток ITGQM до 4000 А [20, 21]. Так, в частности, GCT типа GCU08AA-130 (Mitsubishi) имеет следующие параметры: UDRM = URRM = 4500 В, ITQRM = 3000 А, IT(AV) = 330 А, ITSM = 800 А (8,3 мс; 115 °C), UT = 6,8 В (800 A), dU/dt=3000 В/мкс f
В настоящее время тиристоры GCT и GTO освоены ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [6, 12], в частности тиристоры серий ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА- 193, ЗТФ-193 (подобен GCT) и др. У этих тиристоров диаметр кремниевой пластины — до 125 мм, напряжение UDRM = 1200-6000 В и ток ITGQM = 630-4000 А.
Приведем примеры применения мощных запираемых тиристоров из зарубежного опыта [22]. В Германии в середине 1990-х годов, например, в крупной компании DBEnergie длина сети линий тягового электроснабжения частотой 16213 Гц составляла 7400 км и была гальванически связана с системой воздушных линий напряжением 110 кВ. Через 150 тяговых подстанций железных дорог Германии осуществлялось понижение напряжения до 15 кВ для подачи в контактную сеть. В течение нескольких десятилетий использовались только электромашинные преобразователи. Преобразовательный агрегат представляет собой сложную электромеханическую систему, состоящую из трехфазного двигателя, питаемого напряжением частотой 50 Гц, и смонтированного на одном валу с ним однофазного генератора, вырабатывающего напряжение частотой 16213 Гц. Несмотря на относительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты, электромашинным преобразователям в течение многих лет отдавалось предпочтение перед статическими. Одна из причин — то, что машинные преобразователи в силу своей инерционности и благодаря наличию мощных фундаментов надежно защищали сеть с частотой 50 Гц от гармоник 33113 Гц, генерируемых в процессе преобразования частоты 50 Гц в 16213 Гц.
Для их замены были использованы преобразователи с промежуточным звеном постоянного напряжения и автономные инверторы на GTO. Сеть трехфазного тока частотой 50 Гц в этом случае защищают от гармоники 33113 Гц с помощью фильтра, рассчитанного на эту частоту. Выходной инвертор преобразователя состоит из отдельных независимо регулируемых ступеней, каждая из которых реализована как четырехквадрантный регулятор (4QS), собранный по двух- или трехточечной схеме. Выходы этих ступеней гальванически разделяются с помощью трансформаторов, вторичные обмотки которых соединяют последовательно. Так, преобразователь в Джубьяско мощностью 25 МВт имеет 12 выходных 4QS-ступеней, в которых каждый схемный вентиль реализован на одном тиристоре GTO фирмы АВВ. Суммированием выходных напряжений и смещением такта их включения обеспечивается такой низкий уровень гармоник, что практически отпадает потребность в сетевом фильтре. При этом запираемые тиристоры должны работать с пониженной тактовой частотой, чтобы обеспечивались низкие потери, высокий КПД и достаточный резерв для реакции на динамические процессы в тяговой сети. Первоначально рассматривался вариант с использованием для инверторов запираемых тиристоров GTO с рабочим напряжением до 6 кВ и током в пределах 6 кА. Но в этом случае выходные токи фазовых модулей стали бы слишком большими, что потребовало бы значительно повысить механические требования к конструкциям модулей и распределительных устройств. Если же использовать последовательное соединение менее мощных, широко используемых тиристоров GTO, то у них время нарастания тока управляющего электрода, а значит, и время запирания тиристора составляет несколько микросекунд с определенным разбросом. В то же время для последовательного соединения необходимо иметь тиристоры, которые должны запираться строго одновременно. Конечно, существуют различные схемы, с помощью которых можно достичь одновременности срабатывания, но они усложняют схему, увеличивают габариты преобразователя и его стоимость. Решение задачи последовательного соединения стало возможным с появлением запираемых тиристоров типа HDGTO (GCT) с жестким управлением, у которых темп нарастания тока управляющего электрода увеличен более чем в 100 раз по сравнению с обычными GTO. Если у тиристоров GTO разброс по времени нарастания тока в цепи управления составляет в лучшем случае ±2 мкс, то у HDGTO он не превышает ±100 нс, что дает возможность соединять их последовательно без подбора. Поскольку все сегменты кристалла отключаются одновременно, емкость обычно используемой снабберной цепи может быть уменьшена, что повышает общий КПД системы. Последовательное соединение запираемых тиристоров в схеме преобразователя с частотой на выходе 16213 Гц позволяет включать в его схему резервные HDGTO, что дает несколько преимуществ. В частности, при выходе из строя тиристора замена его резервным происходит автоматически без отключения преобразователя. Отключение возможно лишь в том случае, если число вышедших из строя тиристоров в одном схемном вентиле больше, чем было предусмотрено резервных.
Следующим крупным достижением жестко управляемых GTO (HDGTO) стало создание запираемого тиристора с интегрированным устройством управления (драйвером) — Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT). Благодаря технологии жесткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем. Так же как и для GCT, для IGCT не требуется никаких защитных цепей от превышения d«l dt. Это оказалось возможным благодаря контролю примесных профилей, применению меза-технологии, протонного и электронного облучения для получения нужного распределения рекомбинационных центров. Существенную роль сыграла и технология так называемых прозрачных, или тонких, эмиттеров, а также формирование буферного слоя в N-базовой области. УУ должно «питаться» от внешнего источника c напряжением 28-40 В. Мощность управления в среднем составляет 20-50 Вт и снижена примерно в 5 раз по сравнению со стандартными GTO. При интегрированном УУ величина катодного тока снижается до того момента времени, как анодное напряжение начинает увеличиваться. Это происходит за счет очень низкой индуктивности цепи управляющего электрода, реализуемой за счет коаксиального соединения управляющего электрода в сочетании с многослойной платой УУ. В результате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока до 4 кА/мкс. При напряжении управления UGK = 20 В, когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходит в УУ, которое имеет в этот момент низкое сопротивление. За счет этого потребление энергии блоком управления минимизируется. Работая при «жестком» управлении, тиристор переходит при запирании из p-n-p-n-состояния в p-n-p-режим за 1 мкс. Выключение происходит полностью в транзисторном режиме, устраняя всякую возможность возникновения триггерного эффекта.
Для максимальной помехоустойчивости и компактности устройство управления конструктивно окружает IGCT, формируя единую конструкцию с охладителем. Оно содержит только ту часть схемы, которая необходима для управления непосредственно IGCT. Благодаря этому уменьшено число элементов УУ и снижены параметры теплорассеяния, электрических и тепловых перегрузок, а также повышена надежность. Тиристор IGCT, с его интегрированным УУ, легко фиксируется в модуле и точно соединяется с источником питания и источником управляющего сигнала через оптоволоконную линию. При работе IGCT без снаббера обратный диод тоже должен работать без снаббера. Этим требованиям соответствует высокомощный диод в прижимном корпусе с улучшенными характеристиками, созданный с использованием процесса облучения в сочетании с классическими процессами. Возможности по обеспечению di/dt определяются работой диода.
Средняя частота переключения IGCT составляет 500 Гц. Малые потери переключения позволяют тиристорам этого типа с напряжением 6,5 кВ работать на частотах до 600 Гц, а приборам на напряжение 4,5 кВ — на частоте 1 кГц в непрерывном режиме и кратковременно — на частотах до 40 кГц. Другие характеристики IGCT: напряжение в открытом состоянии составляет 2 В (при токе 4 кА); тепловое сопротивление — 8,5 °C/кВт. Максимально допустимый средний прямой ток равен 1700 А (при температуре корпуса 85 °С), что позволяет отказаться от параллельного включения IGCT для получения требуемого тока. Основной производитель IGCT — компания АВВ. На базе IGCT компании ABB без параллельного или последовательного включения IGCT созданы преобразователи мощностью более 15 МВт. А параллельное включение, по утверждению специалистов компании, позволит реализовать преобразователи мощностью 100 МВт и довести мощность последующих поколений статических преобразователей энергосистем до 300 МВт.
Параметры тиристоров IGCT фирмы ABB [20]: по напряжению UDRM = 4500; 6000 В; по току ITGQM = 3000; 4000 А. Так, IGCT типа 55HY35L4510 этой фирмы имеет следующие параметры: UDRM = 4500 В, IGQM= 4000 А, ITSM = 32000 А (10 мс, Т = 125 °C), пороговое напряжение включения UT0 = 1,4 В, f
Другой пример по применению запираемых тиристоров также из немецкого опыта. Показательным является сравнение двух эксплуатирующихся в Карлсфельде идентичных статических преобразователей, содержащих последовательно соединенные запираемые тиристоры АВВ. Общая мощность 100/132 МВ-А обеспечивается двумя блоками мощностью соответственно 50/66 МВ-А. Каждый из преобразователей имеет восемь выходных ступеней, содержащих по m+n = 5 включенных последовательно тиристоров на один схемный вентиль, при этом резерв n = 1. Таким образом, каждый блок содержит 160 запираемых тиристоров. Один из преобразователей построен на запираемых тиристорах GCT (HDGTO), а второй — на IGCT (с прозрачным анодом). Прежде чем переоборудовать один из блоков с заменой GCT на IGCT, компанией ABB (совместно с Adtranz) был проведен ряд контрольных мероприятий (по существу — испытания на надежность), в частности:
получение сертификата изготовителя, подтверждающего низкое сопротивление тиристоров в проводящем состоянии;
эксплуатационные испытания тиристоров IGCT в течение 3000 ч в схеме отдельного четырехквадрантного регулятора, собранного из расчета: один тиристор (m = 1) на один схемный вентиль. Здесь тиристоры использовались без снабберной цепи и переключались с частотой, в 7 раз превышающей рабочую частоту преобразователя тягового электроснабжения;
проверка распределения напряжения между пятью тиристорами IGCT, включенными последовательно, и влияния индуктивности рассеяния, проводившаяся методом подачи одиночных импульсов;
проверка в режиме продолжительной максимальной нагрузки работоспособности тиристоров IGCT в модуле с двумя выходными ступенями, содержащими в одном схемном вентиле пять последовательно включенных тиристоров.
Исследование тиристоров по окончании серии проверочных испытаний показало, что с ними не произошло никаких изменений.
Практика доказала высокую надежность GTO, которые могут работать без отказов в течение нескольких лет в жестких режимах переменных нагрузок, как это имеет место в преобразователях для тягового электроснабжения. Преобразователи на IGCT имеют значительно меньшее число схемных компонентов за счет отсутствия снабберной цепи и схем ограничения скорости нарастания тока dI/dt, а также в связи с упрощением схем управления тиристорами. Благодаря этому они имеют меньшие потери мощности. При почти одинаковой с GTO устойчивости к режимам переменных нагрузок надежность IGCT в принципе выше.
В заключение отметим, что основным стимулом развития новых поколений запираемых тиристоров (GTO) и совершенствования их характеристик стала конкуренция с быстро развивающимся с начала 90-х годов новым классом силовых приборов — IGBT. Как будет показано далее (в 3 части этой статьи), основными преимуществами IGBT, по сравнению с GTO, являются простота и компактность схем управления (малый ток управления), высокие значения КПД и рабочей частоты. Появление в последние годы модулей IGBT с рабочим напряжением до 4500 В и более, с токами в несколько тысяч ампер привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1М Вт и напряжением до 3500 В. Однако новые запираемые тиристоры IGCT имеют более высокие параметры по сравнению с GTO и способны работать с частотами переключения от 500 Гц до 2 кГц. Благодаря этому, а также оптимальной комбинации хорошо освоенных технологий тиристоров с присущими им низкими потерями, высокоэффективной (бесснабберной) процедурой выключения, тиристоры IGCT имеют реальный шанс для применения в области силовой электроники среднего и высокого напряжений.
Для иллюстрации развития отечественных запираемых тиристоров приведем особенности и параметры современных фототиристоров класса IGCT производства ОАО «Электровыпрямитель» [12]. Так, фототиристор ТФ253-630 имеет следующие параметры: UDRM = URRM = 5000-6400 В, IT(AV) = 630 А (+85 °C), ITSM = 12000 А (+125 °C), защитный показатель I&sub2;t = 720 кА&sub2;с, UTM>2,8 В. Впечатляет, что при указанных больших значениях тока открытого фототиристора значение тока удержания (IH) составляет не более 150 мА. Допустимые значения скорости нарастания тока и напряжения соответственно 300 А/мкс и 2000 В/мкс. Конструкция — таблеточная, тепловое сопротивление Rth JC = 0,02 °C/Вт. Оптическая мощность управления равна 40 мВт (среднее значение). Параметры быстродействия: задержка на включение — не более 5 мкс, время выключения — не более 630 мкс.
Еще более мощным является высоковольтный фототиристор типа ТФ 183-2000-70 этого же производителя: UDRM = URRM = 8000 В, IT(AV) = 2000-2500 А, ITSM = 80000 А, защитный показатель I²t = 2,5х106 Дж (2000 мкс). Прибор имеет встроенный лазерный диод, LTT-адаптер и снабжен оптоволоконным кабелем. Фототиристор ТФ 183-2000-70 применяется в мощных импульсных генераторах, компенсаторах реактивной мощности, преобразовательных устройствах ЛЭП. Производитель поставляет готовые унифицированные преобразовательные модули на напряжение до 12 кВ и ток до 2,5 кА на основе последовательного соединения указанных фототиристоров.