15- ma’ruza O’zi berkitiluvchi gto, gct tiristorlari

15- ma’ruza


O’zi berkitiluvchi GTO, GCT tiristorlari

Reja:
1. O’zi berkitiluvchi GTO, GCT tiristorlari, ularning volьt-amper xarakteristikalari, ishlash printsiplari

2. O’zi berkitiluvchi GTO, GCT tiristorlarining texnik ko’rsatkichlari, afzalliklari va qo’llanish.

1. O’zi berkitiluvchi GTO, GCT tiristorlari, ularning volьt-amper xarakteristikalari, ishlash printsiplari

Tiristor yaratilishi bilan bir vaqtda uning o’chirilishini boshqaruvchi elektrod orqali ta’minlash bo’yicha tadqiqotlar boshlangan. Asosiy muammo zaryad tashuvchilarning baza sohasida so’rilib ketishini ta’minlashdan iborat bo’lgan.
Birinchi shu tarzdagi tiristorlar 1960 yilda AQShda paydo bo’lgan. Bu tiristorlar Gate Tum Off (GTO) nomini olgan. Bizda ular ko’proq yopiladigan yoki o’chiriladigan nom bilan tanilgan.
1990 yillar o’rtasida xalqasimon boshqaruv elektrodli tiristor ishlab chiqildi. U Gate Commutated Thyristor (GCT) nomini oldi va GTO-texnologiyalarining kelgusi rivoji hisoblandi.
Yopiluvchi tiristor – to’laqonli boshqariladigan yarim o’tkazgich pribor. Uning asosida klassik to’rt qatlamli struktura. U elektrodga musbat va manfiy tok impulьslari berib ulanadi va o’chiriladi.

1-rasm. Yopiladigan GTO tiristorining a) shartli belgilanishiva b) struktura sxemasi.
Tuzilishi. 1-rasmda yopiladigan tiristorning shartli belgilanishi va struktura sxemasi keltirilgan. Odatdagi tiristordagidek u katod K va anod A-ga, boshqaruvchi elektrod G-ga ega. Priborlarning strukturalaridagi farqlar gorizontalь va vertikalь va -o’tkazuvchanli qatlamlarining boshqacha joylanishida bilinadi.
Eng ko’p o’zgarishga katod _-qatlami tuzilish duchor bo’ldi. U qatlam yuzasida bir tekisda bir necha yuz elementar katak (yacheyka)larga bo’linib, parallelь ulangan. Bu pribor o’chirilganda tokning yarim o’tkazgichning butun yuzasi bo’yicha bir tekisda pasayishini ta’minlash uchun shunday qilingan.
Himoya zanjirlari. GTO tiristorlaridan foydalanish maxsus himoya zanjirlari qo’llashni taqozo etadi. Himoya zanjirlari massa va gabarit ko’rsatkichlarini ko’paytiradi, o’zgartkich qiymatini orttiradi, ba’zan qo’shimcha sovutish qurilmalarini talab qiladi, shunday bo’lsada priborlarning normal funktsiya yuritishi uchun zarurat hisoblanadi.
Har qanday himoya zanjirini qo’llash – yarim o’tkazgich priborning kommutatsiya paytidagi elektr energiyasi ikkita parametrlaridan bittasining o’sish tezligini cheklashga olib keladi (2-rasm).

2-rasm
Himoya zanjirining kondensatori himoyalanuvchi T priborga parallelь ulanadi. U tiristor o’chirilayotganda to’g’ri kuchlanishning o’sish tezligi dU_T / dt-ni cheklaydi. Drosselь T pribor bilan ketma-ket ulanadi. U tiristor ulanganda to’g’ri tokning o’sish tezligi dI_T/dt-ni cheklaydi. Har bir pribor uchun dU_T/dt va dI_T/dt qiymatlari me’yorlangan, ular priborning pasport ma’lumotlarida ko’rsatiladi.
GST tiristorlari. 90-yillar o’rtalarida «AVV» va «Mitsubishi» firmalari tomonidan tiristorlarning yangi Gate Commutated Thyristor (GCT) turi ishlab chiqildi. Amalda GCT GTOning takomillashgan yoki modernizatsiyalangani hisoblanadi. Biroq, boshqaruvchi elektrodning printsipial yangi konstruktsiyasi hamda pribor o’chirilayotgandagi jarayonlar o’rtasidagi sezilarli farqlar uni ko’rib chiqish maqsadga muvofiqligini ko’rsatadi. GCT GTOga tegishli kamchiliklarsiz qilib ishlab chiqilgan.
GTO tiristorining asosiy kamchiligi u kommutatsiya qilinganda himoya zanjirlaridagi katta energiya isrofi. Chastota ko’payganda isrof ham ortaveradi, shu sabab GTO tiristorlari 250-300 Gts-dan oshmagan chastotalarda kommutatsiyaga ishlatilgan. Asosiy isrof tiristor o’chirgan paytda RB rezistorida, hamda CB kondensatorida ro’y beradi.
GCT tiristori o’chirilayotgan paytda ikkita xossasi e’tiborga loyiq:
 Boshqaruv toki I_g anod tokiga teng yoki undan ortiq (GTO tiristor uchun I_g 3-5 marta kam);
 Boshqaruvchi elektrodning induktivligi kichik qiymatga ega, bu esa boshqaruv toki o’sishining tezligi dig/dt 3000 A/mks va undan ortiq qiymatga erishishga (GTO tiristori uchun dig/dt qiymati 30-40 A/mks-ni tashkil etadi) imkon beradi.
Hozirda GCT tiristorlarini Yaponiya va Yevropaning yirik firmalari ishlab chiqarmoqda. Priborlar U_DRM kuchlanishi parametrlari bo’yicha 2500 V, 4500 V, 6000 V; tok bo’yicha I_TGOM 1000 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A, 6000 A.
GCT tiristorlarini «AVV» va «Mitsubishi» firmalari ishlab chiqarmoqda. Priborlar U_DRM kuchlanishi 4500 V-gacha, I_TGOM toki 4000 A-gacha.
Hozirgi kunda GCT va GTO tiristorlarini Rossiya Federatsiyasining Saransk shahridagi «Elektrovыpryamitelь» OAJ korxonasida ishlab chiqarish yo’lga qo’yilgan. GCTga o’xshash, kremniy plastinasi diametri 125 mm-gacha va kuchlanish diapazoni U_DRM 1200 seriyalar ishlab chiqarilmoqda.
IGST tiristorlari. Boshqarishga qo’yilayotgan qat’iy talablar kontseptsiyasiga muvofiq (legirlovchi profillarni nafis boshqarish, mezatexnologiya, nazorat qilinuvchi rekombinatsiya markazlarini maxsus taqsimlashni yaratish uchun protonli va elektron nurlantirish, shaffof va yupqa emitterlar texnologiyasi, -baza sohasida bufer qatlamini qo’llash va boshqalar) o’chirish paytida GTO tiristori xarakteristikasining yanada yaxshilanishiga erishildi. Qat’iy boshqariluvchi GTO (HD GTO) texnologiyasida pribor, boshqarish va qo’llash nuqtai nazaridan eng katta yutuq «Integrallashgan boshqaruv bloki (drayver)ga ega yangi yopiluvchi tiristor negizida boshqariluvchi priborlar» g’oyasi (inglizchasiga Integrated Gate-Commutated Thyristor – IGCT) bo’ldi.
Qat’iy boshqaruv texnologiyasi sabab bir tekisdagi almashib ulanish IGCTning xavfsiz ishlashi chegaralarini ko’chkili teshilish, ya’ni kremniyning fizikaviy imkoniyatlarigacha ishlash sohalarigacha kengaytiradi. du/dt qiymati ortishidan hech qanday himoya zanjiri talab qilinmaydi. Quvvat isrofi ko’rsatkichlarining yaxshilanishi bilan birgalikda kilogerts diapazonida yangi qo’llanish sohalariga o’tishga erishildi. Boshqarish uchun quvvat GTO standartiga solishtirganda asosan anodning shaffof konstruktsiyasi hisobiga 5 marta pasaytirildi. 0,5-6 MV*A diapazonida qo’llash uchun yuqori quvvatli diodlar integrallashgan monolit IGCT priborlarining yangi oilasi ishlab chiqildi. Mavjud bo’lgan IGCT priborlarining ketma-ket va parallel ulanishi texnik imkoniyatlari quvvat darajalarini bir necha yuzlab megavolьt-amper darajasigacha ko’tarishga imkon beradi.
Boshqarish bloki integrallashganda katod toki anod kuchlanishi ortishi boshlanishidan ilgari pasayadi. Bunga boshqaruvchi elektrodning boshqarish bloki ko’p qatlamli platasi bilan koaksialь birlashtirilishi (ulanishi) sababli amalga oshirilishi natijasida realizatsiya qilingan boshqaruv elektrodi zanjirining juda past induktivligi hisobiga erishiladi. Natijada o’chirilayotgan tokning tezligi 4 kA/mks qiymatiga erishish imkoni tug’ildi. Boshqaruv kuchlanishi U_GK=20 V, katod toki nolga teng bo’lganda anod tokining qolgani bu momentda past qarshilikka ega bo’lgan boshqarish blokiga o’tadi. Shuning hisobiga boshqaruv blokining energiya sarfi minimumga tushadi.
Qat’iy boshqaruvda ishlab tiristor yopilish paytida holatidan holatiga 1 mks-da o’tadi. O’chirilish trigger effekti yuzaga kelishining har qanday ehtimolini yo’q qilgan holda tranzistor rejimida to’la amalga oshadi.
Boshqaruv bloki qiymati (narxi) va IGCTning ishlamay qolishi intensivligi ham birmuncha pasaygan. IGCT modulda oson o’rnatiladi, oziqlantirish manbai va boshqarish signali manbai bilan optik tola orqali ulanadi.
IGCTning asosiy ishlab chiqaruvchisi «AVV». Tiristor parametrlari U_DRM kuchlanishi bo’yicha 4500 v, 6000 V. I_TGOM toki bo’yicha 3000 A, 4000 A.
GTO tiristorining ish tsiklida to’rtta faza bor: ulanish holati, o’tkazuvchanlik holati, o’chirilgan holat va blokirovka holati.
Tiristor strukturasining blokirovka holatidan o’tkazuvchan holatiga o’tishi (ulanish) anod va katod o’rtasiga to’g’ri kuchlanish qo’yilgandagina mumkin. J₁ va J₃ o’tishlar to’g’ri yo’nalishda siljiydi va zaryad tashuvchilar harakatiga to’sqinlik qilmaydi. Barcha kuchlanish J₂ o’tishga qo’yilgan bo’ladi va teskari yo’nalishda siljiydi. J₂ o’tish atrofida zaryad tashuvchilari kam (kambag’al) zona vujudga keladi, bu zona hajmiy zaryad nomini olgan. GTO tiristorini ulash uchun boshqaruvchi elektrodga va katodga boshqaruv zanjiri bo’yicha musbat ishorali kuchlanish qo’yiladi.

3-rasm. Anod va boshqaruv elektrodi toklariningo’zgarish grafigi
2. O’zi berkitiluvchi GTO, GCT tiristorlarining texnik ko’rsatkichlari, afzalliklari va qo’llanish.
So’nggi yillarda ishchi kuchlanishi 4500 V, 1800 A-gacha toklarni kommutatsiya qilish qobiliyati bo’lgan IGBTning paydo bo’lishi quvvati 1 MVgacha va kuchlanishi 3,5 kVgacha bo’lgan qurilmalarda yopiluvchi tiristorlarning siqib chiqarilishiga olib keldi. Biroq o’chirib ulash chastotasi 500 dan 2 kGtsgacha va IGBT tranzistorlariga nisbatan yanada yuqoriroq parametrlarga ega IGCT yangi priborlari tiristorlar isbotlangan texnologiyalarining optimal kombinatsiyalarini o’ziga olgan. IGCT pribori bugungi kunda o’rta va yuqori kuch elektronikasida qo’llash uchun ideal qaror desak adashmaymiz.
Ikki tarafdan sovutiladigan zamonaviy kuch kalitlarining xarakteristikalari

Pribor tipi	Afzalligi	Kamchiligi	Qo’llanish sohasi
An’anaviy tiristor (SCR)	Ulangan holatda eng oz isrof. Almashib ulanish qobiliyatining eng balandligi. Baland ishonchlilik. Parallel va ketma-ket oson ulanadi.	Boshqaruv elektrodi bo’yicha yopishga qodir emas. Past ishchi chastota.	O’zgarmas tok yuritmasi; kuchli oziqlantirish manbalari; payvandlash; eritish va qizdirish; statik kompensatorlar; o’zgaruvchan tok kalitlari
GTO	Boshqariladigan yopilish qobiliyati. Almashib ulanish qobiliyatining nisbatan balandligi. Ketma-ket ulanish imkoniyati. 4 kV kuchlanishda 250 Gts-gacha ishchi chastotalar.	Ulangan holatdagi katta isroflar. Boshqaruv sistemasidagi juda katta isroflar. Boshqarish sistemasi va potentsialga energiya berishning murakkabligi.	Elektr yuritmalar; Statik kompensatorlar; reaktiv quvvatlar; uzluksiz oziqlantirish sistemalari; induktsion qizdirish
IGCT	Boshqariladigan yopilish qobiliyati. Almashib ulanish qobiliyati GTOdagidek. Ulangan holatda almashib ulashga isroflar oz. Ishchi chastotasi birliklarda, kGts. Boshqaruv bloki priborning ichida (drayver). Ketma-ket ulash imkoniyati.	Ekspluatatsiya bo’yicha tajribada ko’rilgani yo’q	Quvvatli oziqlantirish manbalari (invertorli va o’zgarmas tok uzatish liniyalarining to’g’rilagich podstantsiyalari); Elektr yuritmalar (chastota o’zgartkichlar uchun kuchlanish invertorlari va turli mo’ljaldagi elektr yuritmalar)
IGBT	Boshqariladigan yopilish qobiliyati. Eng yuqori ishchi chastota (10 kGts). Oddiy isrofi kam boshqarish sistemasi. Drayver ichida o’rnatilgan	Ulangan holatda juda katta isroflar	Elektr yuritmalar (chopperlar); uzluksiz oziqlantirish sistemalari; statik kompensatorlar va aktiv filьtrlar; muhim oziqlantirish manbalari

Nazorat uchun savollar:
1. GTO tiristorlari, qachon qaerda paydo bo’lgan?
2. Himoya zanjiri nimaga kerak?
3. GST tiristori GTOdan qanday farq qiladi?
4 . IGST tiristorining afzalliklari qanday?