PE Tyrystor GTO BTS59 Archiwum

PE Tyrystor GTO BTS59 Archiwum

 Chociaż wyłączany bramką tyrystor GTO wynaleziono w laboratorium General Electric to dojrzałe duże jednostki wyprodukowano w Japonii na początku lat osiemdziesiątych.

Wcześniej szybki tyrystor GTO typu SG613 koncern Sony stosował jako klucz H-Out odchylania poziomego w odbiorniku TVC ale odszedł od tego rozwiązania na rzecz tranzystora wysokonapięciowego.

Szybki wyłączalny bramką tyrystor GTO koncernu Philips umieszczony w obudowie TOP3 czyli SOT-93 ma maksymalny średni prąd Itav=15A przy prądzie wyłączalnym 50A i niepowtarzalnym prądzie szczytowym 100A, oczywiście niewyłączalnym. Napięcia blokowania wynoszą 850, 1000 i 1200 V. Potencjalnie możliwe jest wykonanie z BTS59 invertera zasilanego z wyprostowanego napięcia trójfazowego 380Vac. Tyrystor ten nie ma zdolności wstecznej ani diody antyrównoległej. Strukturę szybkiej diody antyrównoległej dodano w tyrystorach w większej obudowie TO-238AA. Wniosek z tego taki że wymiary struktury tyrystora są spore jak na użytą obudowę.

W tyrystorach GTO występuje zjawisko długiego (po początkowo szybkim spadku prądu ) przeciągania wyłączanego prądu. Występuje ono niestety także w tranzystorach IGBT. Praktycznie oscylogramy są bardzo podobne do katalogowych rysunków. Przeciąganie prądu powoduje że snubber jest znacznie mniej skuteczny w ograniczaniu energii strat przy wyłączaniu niż w przypadku tranzystorów bipolarnych i Mosfeta a czas opadania prądu Tf jest niemiarodajny do oceny straty energii przy wyłączaniu. W warunkach testu czas Tf=250 ns sugerowałby znacznie mniejsze straty energii niż faktycznie występujące.

Przy starszych GTO snubbery i straty mocy były bardzo duże a częstotliwość operacji niska.

Czas wyłączania każdego GTO rośnie z wyłączanym prądem i temperaturą chipa co ogranicza w praktyce zakres użytych prądów jako że rozmiar snubbera i straty mocy w nim stają się absurdalnie wielkie. Temperatura chipa w żadnym razie nie może przekroczyć 125C jako że wyłączenie GTO może okazać się niemożliwe.

Maksymalna szybkość narastania napięcia (wyłączające napięcie bramki wynosi Ugr=10V) przy wyłączaniu prądu nominalnego wynosi 5kV/us malejąc przy maksymalnym wyłączanym prądzie 50A do zaledwie 70V/us. W odrobinę starszych modelach BTV58 szybkość narastania du/dt przy wyłączeniu prądu nominalnego jest 10 krotnie gorsza. Widać więc w jakim kierunku zmierza technologia – zmierza do wyeliminowania kłopotliwych snubberów wymagając jednak szybkiego podania szybkiego i mocnego impulsu wyłączającego do bramki.

W przypadku dużych GTO szybkie podanie prądu wyłączającego jest eliminowane kablem łączącym bramkę z driverem z czego wniosek że rozwiązaniem jest integracja GTO z driverem.

Przy mniejszym napięciu wyłączającym bramkę Ugr=5V szybkość narastania napięcia przy wyłączaniu BTS59 jest 10 krotnie mniejsza ! Zatem konieczne jest stosowanie jak największego napięcia wyłączającego bramkę Ugr i małych indukcyjności w obwodzie bramki. Zmierzone napięcie przebicia bramki BTS59 wynosi około 17V i przy małej indukcyjności obwodu bramki podanie ujemnego napięcia 12V jest całkowicie bezpieczne.

Kolejny wykres pokazuje szczytowa wartość wyłączającego prądu bramki w funkcji prądu anodowego. Przy prądzie 10A prąd bramki też wynosi 10A a przy maksymalnym prądzie wyłączanym 50A prawie 17A. Trzeba więc przyjąć ze driver GTO ma dostarczyć prąd bramki na poziomie 120% nominalnego prądu średniego. Nie stanowi to problemu z tyrystorem BTS59. Jednak pokazany w materiałach Philipsa driver z tranzystorem BUV26 jest za słaby ! W przypadku GTO na prąd średni 1000 A i wyłączany ponad 3000A mały geometrycznie (indukcyjność rozproszenia !) driver ma dostarczyć prąd do 1200A co nie jest proste. Rozwiązaniem jest użycie w driverze tranzystorów Mosfet, które przy małych napięciach już są bezkonkurencyjne a ciągle są doskonalone.

Użyty w eksperymentach tyrystor BTS59 sprawuje się dobrze. Ma co prawda jako zwykły tyrystor znacznie mniejszą przeciążalność od zwykłych tyrystorów ale ciągle dużą.

Do rozwiązania jest sprawa bocznikowania bramki G-K przy braku napięcia zasilania drivera aby tyrystor nie załączył się stromościowo zakłóceniem du/dt. Nie może to być rezystor bowiem straty mocy w nim po podaniu ujemnego wyłączającego napięcia na bramkę byłyby koszmarnie duże.

Trudny do rozwiązania jest problem ochrony zwarciowej klucza GTO z powodu szybkiego narastania załączanego prądu i niemożliwości wyłączenia GTO gdy osiągnie on zbyt duża wartość. Sam driver musi mieć wbudowany bardzo szybki mechanizm ochrony. Po awaryjnym wyłączeniu klucza po próbie załączenia, driver musi być zablokowany i zresetowany dopiero po powtórnym podaniu napięcia zasilania jako że stres dla GTO jest ogromny.

W przypadku niewielkich GTO rozwiązaniem obu problemów jest wyłączanie klucza GTO od strony katody niskonapięciowym tranzystorem Mosfet o małej rezystancji załączenia Rdson. Wadą tego rozwiązania są duże straty mocy w Mosfecie przewodzącym pełny prąd klucza. W eksperymentalnym driverze zbyt duży spadek napięcia na załączanym Mosfecie jest sygnałem do momentalnego wyłączenia. Sygnałem do awaryjnego wyłączenia jest jednocześnie zbyt wysoki poziom prądu GTO i zbyt duża szybkość jego narastania. Oporność Rdson Mosfeta rośnie z temperaturą ograniczając pułap tolerancji zabezpieczenia co jest pozytywem w tym rozwiązaniu.

Driver tyrystora GTO 1000A/3000 V pobiera maksymalnie około 30-100 Watt mocy przy impulsowym wyzwalaniu z podtrzymaniem prądu bramki. Tyrystor taki może maksymalnie operować z częstotliwością 500-1000Hz. Aby tyrystor ten nie włączył się statycznym zakłócającym impulsem anodowym du/dt = 1000 V/us ( to jest minimalne wymaganie ) bramka musi być zbocznikowana rezystorem Rgk mniejszym od 1 Ohma lub lekko ujemnie spolaryzowana. Mały bocznikujący rezystor dałby duże straty mocy. Rozwiązaniem przy braku zasilania drivera i braku ujemnej polaryzacji bramki jest normalnie załączony tranzystor mocy JFET, który były odblokowany po pojawieniu się napięć zasilania drivera i podaniu ujemnego napięcia na bramkę.

Wady tyrystora GTO ograniczają jego zastosowanie tylko do roli klucza wielkiej mocy przełączającego nie częściej niż z częstotliwością 500 Hz a wyjątkowo 1 KHz ale już z ograniczonym prądem. Trudna jest ochrona zwarciowa. Sam driver musi zapobiec awaryjnej próbie zbyt częstego operowania kluczem.

GTO typu BTS59 można użyć do przeskalowanego testu systemu sterowania dla potężnych GTO invertera.

Zdolność drivera dużego GTO do dostarczenia wyłączającego impulsu prądu bramki rzędu 1000A można przetestować używając w symulacji wolnych diod na jak największe napięcie i akumulując w nich duży ładunek podanym prądem przewodzenia.