1.5 TIRISTORUL GTO STRUCTURĂ.

Transcript

1 .5 TRSTORUL GTO. Tiristorul obişnuit, ca urmare a proprietăţilor sale de a suporta tensiuni şi curenţi mari, este comutatorul static aproape ideal pentru convertoarele de mare putere, inconvenientul esenţial constând în imposibilitatea de a comanda pe poartă blocarea conducţiei..5. STRUTURĂ. Structură tipică pentru un tiristor GTO este prezentată în g..44, iar simbolizarea în g..45. Diferenţele principalele constructive între tiristorul GTO şi tiristorul obişnuit constau în: structura catod-poartă, straturile n + şi p, este realizată înalt întreţesut în scopul asigurării unui Fig..44 Structura unui tiristor GTO. Fig..45 Simbolizarea unui GTO. cât mai bun acces, prin intermediul porţii, în secţiunea transversală a catodului; catodul este realizat sub forma unor degete, cu contact direct la metalizarea catodului, degete care sunt conectate direct la radiator; în structura p + a anodului sunt intercalate porţiunile de dimensiune redusă n +, care fac contact direct între metalizarea anodului şi stratul n -. mpuricarea straturilor este cea tipică..5.. POLARZARE. onsiderând poarta izolată, în cazul polarizării directe se aplică polaritatea pozitivă pe anod şi cea negativă pe catod. Din cele trei joncţiuni ale tiristorului GTO, g..44, este polarizată invers nu mai joncţiunea J. a urmare a dopării reduse a stratului n -, bariera de potenţial este determinată de grosimea acestui strat, capacitatea de a susţine tensiuni în sens direct ind asemănătoare cu a unui tiristor obişnuit. În cazul aplicării polarităţii minus pe anod sunt polarizate invers joncţiunile J şi J 3. a urmare a structurii stratului anodului cu incluziunile n +, joncţiunea J nu realizează nici o barieră de potenţial, în timp ce joncţiunea J 3 poate suporta cel mult 3V. a urmare tiristorul GTO nu poate funcţiona decât cu polarizare directă, deci alimentat numai în c.c ARATERSTA STATĂ. aracteristica statică, curent-tensiune, pentru polarizare directă este identică cu cea a tiristorului obişnuit, g..5. În ceea ce priveşte ramura din cadranul 3, pentru polarizare inversă,

2 3 ELETRONA DE PUTERE S ATONAR REGLABLE acesta nu există ca urmare a celor prezentate mai sus. ntrarea în conducţie se desfăşoară prin autoamorsarea conducţiei într-un mod asemănător cu tiristorul obişnuit EŞREA DN ONDUŢE Având o structură asemănătoare cu tiristorul obişnuit, tiristorul GTO se poate echivala cu schema formată din două tranzistoare npn şi pnp, g..46.se consideră tiristorul GTO în conducţie, după schema echivalentă din g..46. Pentru ieşirea din conducţie se polarizează Fig..46 eşirea din conducţie a tiristorului GTO. invers joncţiunea G-K prin sursa E G, respectiv prin extragerea din stratul de poartă al curentului i G <.urentul din baza tranzistorului T va avea valoarea i i i Pentru ca tranzistorul T să înceapă a se bloca trebuie ca B G (.63) i i < (.64) B β unde β este factorul de amplicare în curent a acestui tranzistor. Dar pe de altă parte ib i i (.65) întrucât i A este curentul de emitor al tranzistorului T.urentul de colector al tranzistorului T, din aceleaşi considerente, are valoarea A Fig..47 Tiristor GTO cu o sarcină R+L. Fig..48 ntrarea în conducţie.

3 Ştiind că ( ) i A i i B şi introducând relaţiile de mai sus în condiţia (.63) se obţine ELETRONA DE PUTERE 3. (.66) β (.67) i A i G <, (.68) de unde prin manipulări simple se determină condiţia pe care trebuie să o îndeplinească curentul de poartă negativ, i G, pentru a se produce ieşirea din conducţie, sub forma i G ia ia > β + OFF, (.69) unde prin β OFF s-a notat factorul de amplicare în curent poartă-anod. Din (.68), pentru a obţine un curent de poartă cât mai mic necesar întreruperii conducţiei, rezultă două condiţii: cât mai mic; cât mai mare. Aceste două condiţii se realizează prin structura constructivă a tiristorului GTO. Astfel pentru a se realiza un cât de mic, se micşorează durata de viaţă a purtătorilor de sarcină din baza lui T, lucru realizat prin incluziunile n +, care oferă o cale de recombinare a purtătorilor direct în anodul tiristorului. Pe de altă parte posibilitatea de recombinare a purtătorilor direct în anod, face ca acest proces să e foarte activ, conducând la reducerea substanţială a timpului de blocare a conducţiei. Realizarea unui cât mai mare se realizează printr-o bază, stratul p, cât mai îngustă a tranzistorului T şi o dopare înaltă a emitorului acestuia, stratul n ARATERST DNAME. Se consideră tiristorul GTO înglobat în schema din g..47, adică având o sarcină cu puternic caracter inductiv, care poate asimilată cu un generator de curent. Dioda n are rol de descărcare a energiei bobinei. Procesul de intrare în conducţie, iniţiat prin i G >, decurge asemănător cu procesul similar de la tiristorul obişnuit, g..48. După trecerea timpului de întârziere t d, curentul i A (t) începe să crească cu un gradient de curent determinat de sarcina R+L. Simultan începe să se micşoreze şi tensiunea anod-catod, atingând valoarea de regim staţionar, V ON, de aceeaşi mărime ca la tiristorul obişnuit. Timpul de intrare în conducţie are valoarea Fig..49 eşirea din conducţie t t + t (.7) ON având valori de ordinul μsec. Pierderile de putere în tiristor pe durata procesului de intrare în conducţie sunt relativ mari, mai ales pe intervalul t ri, dar, ca d ri

4 3 ELETRONA DE PUTERE S ATONAR REGLABLE urmare a duratei reduse a acestuia, încălzirea joncţiunilor este neimportantă, chiar la frecvenţe mari. În sfârşit, ultima problemă este generată de conducerea curentului de poartă, g..48. În primul rând curentul de poartă i G este sensibil mai mare decât la tiristorul obişnuit, ca urmare a amplicării mai mici a tranzistorului pnp, T. În al doilea rând, pentru a se evita ieşirea din conducţie necontrolată ca urmare a variaţiei curentului de sarcină i A şi a scăderii lui sub curentul de menţinere H, care de asemenea este mai mare ca la tiristorul obişnuit, pe toată durata intervalului preconizat de conducţie se păstrează un curent de poarta de palier GF < GM (.7) eşirea din conducţie este activată prin inversarea curentului de poartă i G, la o valoare mai mare decât cea dată de relaţia (.68). Un proces tipic de ieşire din conducţie este prezentat în g..49. În primul interval de timp, timpul de stocare t s, ca urmare a densităţii mari a purtătorilor de sarcină, starea tiristorului GTO nu se modică, i A şi u T (t) păstrând valorile anterioare. Prin intermediul curentului de poartă i G < se extrage o sarcină stocată importantă din tiristor, astfel încât la începutul lui t, curentul i A (t) începe să scadă cu un gradient impus de sarcină, iar u T (t) să crească. La sfârşitul lui t apare un vârf de tensiune, curba, generat de modicarea gradientului de curent di A (t)/dt. De asemenea curentul de poartă i G începe să scadă ca urmare a micşorării semnicative a densităţii de purtători din straturi. ei doi curenţi i A (t) şi i G (t) continuă să scadă lent până la anulare, pe măsura recombinării purtătorilor de sarcină, generând asa numitul efect de coadă, cu durata t.. După t ri, ca urmare a diminuării considerabile a purtătorilor de sarcină, tensiunea u T (t) creste repede, gradientul de creştere ind mare. Durata timpului de ieşire din conducţie este t t + t + t + t (.7) OFF S şi are valori de ordinul μsec, sensibil mai mic ca la tiristorul obişnuit, ceea ce face ca tiristorul GTO să poată utilizat la frecvenţe de ordinul khz. Problema principală la ieşirea din conducţie este generată de gradientul de tensiune du T (t)/dt aplicat în sens direct, curba din g..49. Gradientul de tensiune ind mare poate produce, la fel ca la tiristorul obişnuit, reamorsarea necontrolată a conducţiei, favorizată de polarizare directă. Evitarea acestui fenomen se realizează prin circuitul de protecţie R S, S, n S, din g..5. În stare de conducţie a tiristorului, condensatorul S este încărcat la tensiunea V ON. La Fig..5 ircuit de protecţie la ieşirea din conducţie u rv începutul lui t, când u T (t) începe să crească, se deschide dioda n S şi condensatorul începe să se încarce, variaţia tensiunii la bornele condensatorului ind de forma t ( t) ic ( t)dt. (.73) onsiderând că sarcina R+L reprezintă practic un generator de curent constant, S i A + i cst., (.74)

5 ELETRONA DE PUTERE 33 variaţia celor trei curenţi ind prezentată în g..5.aşadar, considerând o scădere liniară a curentului prin tiristor, curentul de încărcare al condensatorului se poate scrie sub forma i ( t) t, (.75) t iar tensiunea la bornele acestuia prin u t t ( t) t dt (.76) t t S Această formă de variaţie întârzie mult creşterea tensiunii u T (t), curba din g..49, reducând considerabil gradientul de tensiune du T (t)/dt. Reducându-se valoarea tensiunii u T (t) pe intervalul t, se reduc şi pierderile de putere în tiristor, regimul termic îmbunătăţindu-se considerabil. La sfârşitul lui t, ca urmare a anulării curentului i A (t), pentru scurt timp se deschide dioda de regim liber n, apărând în sarcină curentul i n (t), g..5, şi de asemenea curentul de încărcare a capacităţii începe să se micşoreze până la atingerea valorii u ( t) (.77) V d ircuitul de protecţie astfel realizat se prevede obligatoriu pentru toate convertoarele cu tiristoare GTO. La o nouă intrare în conducţie, condensatorul S se va descărca prin tiristor, valoarea maximă a curentului de descărcare ind limitată prin rezistorul R S, dioda n S ind blocată..5.6 RUTE DE OMANDĂ PE POARTĂ. Fig..5 Variaţia curenţilor omanda pe poartă a tiristorului GTO trebuie să îndeplinească, suplimentar faţă de tiristorul obişnuit, încă două condiţii: realizarea curentului de poartă de palier, GF, g..48; realizarea curentului de poartă negativ, i G <. În g..5 este prezentată o schemă de principiu,care stă la baza realizării majorităţii schemelor de comandă pe poartă, evitând prezenţa unei a doua surse pentru realizarea curentului i G <. Separarea galvanică se face prin optocuplorul T 3, între tensiunea de comandă U produsă de generatorul G şi amplicatorul de tip Darlington realizat cu fototranzistorul T 3 şi tranzistorul T.Pentru tensiune de comandă U, tranzistorul T se găseşte în conducţie, ind polarizat pozitiv în bază prin divizorul format din R şi tranzistorul T, aflat în stare de blocare. urentul de poartă i G > se închide de la sursa +E prin T, condensatorul şi joncţiunea poartă-catod. ondensatorul se încarcă cu polaritatea din desen la o tensiune stabilită de dioda Zenner n, mai mică decât E. După încărcarea condensatorului, curentul i G se micşorează la valoarea de palier GF închizându-se prin n, în regim de stabilizare. Pentru blocarea conducţiei, tensiunea de comandă, U, care Fig..5 ircuit de comandă pe poartă. este un semnal de tip logic, trece în starea,

6 34 ELETRONA DE PUTERE S ATONAR REGLABLE producând intrarea în conducţie a tranzistorului T. Se creează o cale de descărcare a condensatorului prin T şi joncţiunea poartă-catod, furnizând curentul negativ de poartă, i G <..5.7 ALTE ONSDERAŢ. Tiristorul GTO se dimensionează asemănător cu tiristorul obişnuit mai puţin tensiunea inversă V RRM, care nu există. alculul temperaturii joncţiunii, θ j, urmează aceeaşi metodologie şi evident trebuie să se încadreze în limitele admisibile. O problemă deosebită este protecţia la supracurenţii provocaţi de scurtcircuite. Având în vedere capacitatea de blocare prin comandă pe poartă, o primă rezolvare a problemei constă în măsurarea curentului şi comanda inhibării conducţiei, când acesta depăşeşte o valoare prescrisă. Această soluţie este posibilă până la anumite valori de vârf ale curentului de lucru, numit curent controlabil, până la care curentul negativ de poartă poate anula curentul anod-catod. Peste această valoare curentul negativ de poartă nu mai poate dezamorsa conducţia şi protecţia nu mai este ecientă. n aceste cazuri se apelează, la fel ca la tiristorul obişnuit, la siguranţe fuzibile ultrarapide, cu funcţionarea în c.c. Totuşi întreruperea siguranţei ultrarapide, într-un timp relativ mare, 5 8 msec, poate produce deteriorarea tiristorului GTO, Fig..53 Protecţia la supracurent cu tiristor auxiliar. vârful de curent necontrolabil ind în general suportat un timp relativ mai mic. Pentru a se evita acest lucru în paralel cu circuitul de sarcină, format din R+L şi tiristorul GTO-T, se plasează un tiristor obişnuit TA, cu capacitate mare în curent, g..53. La apariţia curentului de defect se comandă intrarea în conducţie a tiristorului auxiliar TA, care preia în mare parte curentul tiristorului GTO, făcând posibilă arderea siguranţei ultrarapide f, cu evitarea deteriorării tiristorului GTO.