Особенности выключения мощного составного транзистора при работе на индуктивную нагрузку
Ключевые слова:
силовой полупроводниковый ключ, статический индукционный тиристор (СИТ), каскодное управление, коммутационное перенапряжение, статическая и динамическая блокирующие способности
Аннотация
Рассмотрены основные причины выхода из строя мощных составных ключей в переходных процессах их запирания. Описаны существующие методы снижения динамических перенапряжений на их компонентах и показаны главные недостатки. Проанализированы механизмы и особенности переходного процесса при запирании мощных составных ключей, предложена эквивалентная схема замещения составного ключа с учетом паразитных компонентов, влияющих на динамические процессы в схеме. Получены аналитические выражения напряжений на элементах схемы, определяющих динамические перегрузки в схеме для колебательного и апериодического случаев. Разработаны критерии сохранения блокирующей способности мощных составных ключей в процессе коммутации.
Изучены особенности переходного процесса запирания базового ключевого элемента для применения в высоковольтных схемах, принцип управления которого аналогичен мощному составному ключу, но имеющему вдвое большее максимальное допустимое напряжение. Сформулированы критерии сохранения блокирующих свойств базового ключевого элемента в процессах коммутации. Показаны преимущества топологии высоковольтного базового ключевого элемента в динамических режимах переключения.
Литература
1. Воронин П.А., Воронин И.П., Панфилов Д.И., Духнич Е.М. Оптимизация статических и динамических параметров мощного составного ключа с полевым управлением // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2016. № 4. С. 91—102.
2. Бормотов А., Гришанин А., Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В. Современные силовые полупроводниковые приборы для энергоэффективных технологий // Электроника: наука, технология, бизнес. 2010. № 4. С. 36—44.
3. Розанов Ю.К., Воронин П.А., Рывкин С.Е., Чаплыгин Е.Е. Справочник по силовой электронике. М.: Издат. дом МЭИ, 2014.
4. Пат. 2268545 РФ. Полупроводниковое ключевое устройство / О.И. Бономорский, П.А. Воронин // Бюл. изобрет. 2006. № 2.
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Бономорский О.И., Воронин П.А, Щепкин Н.П. Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением // Силовая электроника. 2005. № 1. С. 42—44.
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // IEEE Trans. Power Electronics. 2000. Pp. 561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment // Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002. Pp. 354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn- off Thyristor (ETO) // Proc. Power Electronics Conf. 1998. Pp. 269—279.
11. Новиков П. Защита силового транзистора. Ч. 1. Перенапряжение // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 10—12.
12. Кюрегян А.С. Подпороговые характеристики транзисторов и тиристоров с электростатическим управлением. Ч. II. Глубокий планарный затвор // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 4. С. 497—503.
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn- off Model under Snubbberless Turn-off Condition // Microelectronics J. 2003. V. 34. Pp. 297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002. Pp. 238—245.
15. Пат. 168443 РФ. Высоковольтное ключевое устройство / И.П. Воронин, П.А. Воронин, С.Ю. Кузин // Бюл. изобрет. 2017. № 4.
16. Бономорский О.И., Кюрегян А.С., Горбатюк А.В., Иванов Б.В. Сравнительный анализ статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и тиристоров с полевым управлением // Электротехника. 2015. № 2. С. 51—56.
---
Для цитирования: Воронин П.А., Воронин И.П., Духнич Е.М. Особенности выключения мощного составного транзистора при работе на индуктивную нагрузку // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 94—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
#
1. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Dukh- nich E.M. Optimizatsiya Staticheskikh i Dinamicheskikh Parametrov Moshchnogo Sostavnogo Klyucha s Polevym Upravleniem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2016; 4:91—102. (in Russian).
2. Bormotov A., Grishanin A., Martynenko V., Muskatin'ev V., Chibirkin V. Sovremennye Silovye Poluprovodnikovye Pribory dlya Energoeffektivnykh Tekhnologiy. Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes. 2010;4:36—44. (in Russian).
3. Rozanov Yu.K., Voronin P.A., Ryvkin S.E., Chap- lygin E.E. Spravochnik po Silovoy Elektronike. M.: Izdat. Dom MEI, 2014. (in Russian).
4. Pat. 2268545 RF. Poluprovodnikovoe Klyuchevoe Ustroystvo. O.I. Bonomorskiy, P.A. Voronin. Byul. Izobret.2006;2. (in Russian).
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.
6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Bonomorskiy O.I., Voronin P.A, Shchepkin N.P. Bystrodeystvuyushchiy Kaskodnyy Klyuch s Polevym Upravleniem. Silovaya Elektronika. 2005;1:42—44. (in Russian).
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and
Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). IEEE Trans. Power Electronics. 2000:561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment. Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002:354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. Power Electronics Conf. 1998:269—279.
11. Novikov P. Zashchita Silovogo Tranzistora. Ch. 1. Perenapryazhenie. Silovaya Elektronika. 2012;4:10—12. (in Russian).
12. Kyuregyan A.S. Podporogovye Kharakteristiki Tranzistorov i Tiristorov s Elektrostaticheskim Upravleniem. Ch. II. Glubokiy Planarnyy Zatvor. Fizika i Tekh- nika Poluprovodnikov. 1998;32;4:l497—503. (in Russian).
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn-off Model under Snubbberless Turn-off Condition. Microelectronics J. 2003;34:297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002:238—245.
15. Pat. 168443 RF. Vysokovol'tnoe Klyuchevoe Ustroystvo. I.P. Voronin, P.A. Voronin, S.Yu. Kuzin. Byul. Izobret. 2017;4. (in Russian).
16. Bonomorskiy O.I., Kyuregyan A.S., Gorbatyuk A.V., Ivanov B.V. Sravnitel'nyy Analiz Staticheskikh Kharakteristik Bipolyarnykh Tranzistorov s Izolirovannym Zatvorom i Tiristorov s Polevym upravleniem. Elektrotekhnika. 2015;2:51—56. (in Russian).
---
For citation: Voronin P.A., Voronin I.P., Dukhnich E.M. The Turn-off Features of a Composite Power Transistor Operating on an Inductive Load. Bulletin of MPEI. 2019;2:94—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
2. Бормотов А., Гришанин А., Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В. Современные силовые полупроводниковые приборы для энергоэффективных технологий // Электроника: наука, технология, бизнес. 2010. № 4. С. 36—44.
3. Розанов Ю.К., Воронин П.А., Рывкин С.Е., Чаплыгин Е.Е. Справочник по силовой электронике. М.: Издат. дом МЭИ, 2014.
4. Пат. 2268545 РФ. Полупроводниковое ключевое устройство / О.И. Бономорский, П.А. Воронин // Бюл. изобрет. 2006. № 2.
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Бономорский О.И., Воронин П.А, Щепкин Н.П. Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением // Силовая электроника. 2005. № 1. С. 42—44.
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // IEEE Trans. Power Electronics. 2000. Pp. 561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment // Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002. Pp. 354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn- off Thyristor (ETO) // Proc. Power Electronics Conf. 1998. Pp. 269—279.
11. Новиков П. Защита силового транзистора. Ч. 1. Перенапряжение // Силовая электроника. 2012. № 4. С. 10—12.
12. Кюрегян А.С. Подпороговые характеристики транзисторов и тиристоров с электростатическим управлением. Ч. II. Глубокий планарный затвор // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 4. С. 497—503.
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn- off Model under Snubbberless Turn-off Condition // Microelectronics J. 2003. V. 34. Pp. 297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO) // Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002. Pp. 238—245.
15. Пат. 168443 РФ. Высоковольтное ключевое устройство / И.П. Воронин, П.А. Воронин, С.Ю. Кузин // Бюл. изобрет. 2017. № 4.
16. Бономорский О.И., Кюрегян А.С., Горбатюк А.В., Иванов Б.В. Сравнительный анализ статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором и тиристоров с полевым управлением // Электротехника. 2015. № 2. С. 51—56.
---
Для цитирования: Воронин П.А., Воронин И.П., Духнич Е.М. Особенности выключения мощного составного транзистора при работе на индуктивную нагрузку // Вестник МЭИ. 2019. № 2. С. 94—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
#
1. Voronin P.A., Voronin I.P., Panfilov D.I., Dukh- nich E.M. Optimizatsiya Staticheskikh i Dinamicheskikh Parametrov Moshchnogo Sostavnogo Klyucha s Polevym Upravleniem. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2016; 4:91—102. (in Russian).
2. Bormotov A., Grishanin A., Martynenko V., Muskatin'ev V., Chibirkin V. Sovremennye Silovye Poluprovodnikovye Pribory dlya Energoeffektivnykh Tekhnologiy. Elektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes. 2010;4:36—44. (in Russian).
3. Rozanov Yu.K., Voronin P.A., Ryvkin S.E., Chap- lygin E.E. Spravochnik po Silovoy Elektronike. M.: Izdat. Dom MEI, 2014. (in Russian).
4. Pat. 2268545 RF. Poluprovodnikovoe Klyuchevoe Ustroystvo. O.I. Bonomorskiy, P.A. Voronin. Byul. Izobret.2006;2. (in Russian).
5. Pat. 4945266 US. Composite Semiconductor Device.
6. Pat. 19610135 DE. Electronische Einrichtung, Insbesondere zum Schalten Elektrischer Ströme, für Hohe Sperrspannungen und Mit Geringen Durschlaßverlusten.
7. Bonomorskiy O.I., Voronin P.A, Shchepkin N.P. Bystrodeystvuyushchiy Kaskodnyy Klyuch s Polevym Upravleniem. Silovaya Elektronika. 2005;1:42—44. (in Russian).
8. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Experimental and
Numerical Study of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). IEEE Trans. Power Electronics. 2000:561—574.
9. Bakowski M., Gustafsson U. The Two Basic Failure Modes in GTO Modeling and Experiment. Proc. Power Semiconductor Devices and ICs. 2002:354—368.
10. Huang A.Q., Li Y., Motto K., Xu A.Z., Lee F.C. High Power Snubberless Switching with the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. Power Electronics Conf. 1998:269—279.
11. Novikov P. Zashchita Silovogo Tranzistora. Ch. 1. Perenapryazhenie. Silovaya Elektronika. 2012;4:10—12. (in Russian).
12. Kyuregyan A.S. Podporogovye Kharakteristiki Tranzistorov i Tiristorov s Elektrostaticheskim Upravleniem. Ch. II. Glubokiy Planarnyy Zatvor. Fizika i Tekh- nika Poluprovodnikov. 1998;32;4:l497—503. (in Russian).
13. Li X., Huang A.Q., Li Y. Analytical GTO Turn-off Model under Snubbberless Turn-off Condition. Microelectronics J. 2003;34:297—304.
14. Li Y., Huang A.Q., Motto K. Analysis of the Snubberless Operation of the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). Proc. IEEE Intern. Conf. Power Electronics and Drive Syst. 2002:238—245.
15. Pat. 168443 RF. Vysokovol'tnoe Klyuchevoe Ustroystvo. I.P. Voronin, P.A. Voronin, S.Yu. Kuzin. Byul. Izobret. 2017;4. (in Russian).
16. Bonomorskiy O.I., Kyuregyan A.S., Gorbatyuk A.V., Ivanov B.V. Sravnitel'nyy Analiz Staticheskikh Kharakteristik Bipolyarnykh Tranzistorov s Izolirovannym Zatvorom i Tiristorov s Polevym upravleniem. Elektrotekhnika. 2015;2:51—56. (in Russian).
---
For citation: Voronin P.A., Voronin I.P., Dukhnich E.M. The Turn-off Features of a Composite Power Transistor Operating on an Inductive Load. Bulletin of MPEI. 2019;2:94—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-2-94-100.
