ETO: hybridní polovodičová součástka na bázi vypínacího tyristoru GTO

ETO: hybridní polovodičová součástka na bázi vypínacího tyristoru GTO

doc. Ing. Stanislav Bartoš, CSc.,
Ústav termomechaniky AV ČR, Praha

1. Úvod

Úspěšné uplatnění vypínacích tyristorů (součástek GTO) v praxi podnítilo snahy o jejich další zdokonalení při zachování jejich předností, především napěťové a proudové robustnosti. Jako nejlepší ze sledovaných směrů vývoje se zatím nejvíce provozně osvědčila součástka IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor, tyristor komutovaný integrovanou řídicí elektrodou) – viz např. [1]. V posledních deseti letech se však objevují informace o součástce ETO (Emitter Turn-Off Thyristor, tyristor vypínaný emitorem), která je rovněž založena na součástce GTO a jež přináší další výhody. Jde o výkonovou vypínatelnou součástku. Současné katalogové listy udávají mezní hodnoty amplitudy opakovatelného blokovacího napětí U_DRM^*) = 4 500 V a opakovatelně vypínatelného proudu I_TGQM = 4 000 A. Mechanismus zapínání a poměry v zapnutém stavu jsou u součástek GTO, IGCT a ETO shodné či obdobné. V tomto článku proto bude pozornost věnována pouze způsobu vypínání, kterým se uvedené součástky navzájem liší.

Obr. 1. Tyristorová struktura
a) principiální uspořádání tyristorové struktury GTO, IGCT, ETO
b) dvoutranzistorové náhradní zapojení

Vývoj součástky ETO je především spjat se špičkovými pracovišti polytechnického ústavu a univerzity Virginia Polytechnic Institute and State University v Blackburgu, v západní části státu Virginia (USA).

2. Princip součástek IGCT a ETO – tvrdá komutace

Obě součástky (IGCT a ETO) vycházejí ze součástky GTO (obr. 1). Zásadního zlepšení vypínacího procesu u součástky GTO lze dosáhnout tzv. tvrdou komutací (hard-driven technique), při níž celý anodový proud I_A (obr. 1) je převeden (zkomutován) do řídicí elektrody G v době kratší než 1 µs. Potom už v součástkách IGCT a ETO neprochází anodový proud I_A přes emitorový přechod J3 (tj. vrstvou N2 – obr. 1a), nýbrž odchází z elektrody (G) jako řídicí vypínací proud i_RG (obr. 2).

U IGCT a ETO jde o tzv. vypínání s jednotkovým proudovým zesílením (unity-gain turn-off), které je určeno vztahem I_A/I_RG = 1. U klasicky vypínaných součástek GTO tento poměr dosahuje čísla 3 až 5. U součástek IGCT a ETO způsobí extrémně rychle narůstající řídicí vypínací proud i_RG skokové vyřazení tranzistoru VT1 (obr. 1b). Tím je vypínání struktury GTO převedeno na vypínání bipolárního tranzistoru P₁N₁P₂ s otevřenou bází (tranzistor VT2 – obr. 1b). Principiálně se IGCT a ETO navzájem liší způsobem dosažení tvrdé komutace. U IGCT (obr. 2) je zdrojem řídicího vypínacího proudu i_RG kondenzátor C, který však smí být nabit maximálně na 20 V, nemá-li být přechod P₂N₂ (viz tranzistor VT1 na obr. 1b) ohrožen závěrným průrazným napětím. K průtoku proudu i_RG, a tím k vypnutí struktury GTO, dojde v důsledku zapnutí součástky MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, tranzistor řízený polem s hradlem izolovaným oxidem) s N-kanálem. Naproti tomu u součástky ETO je proud I_A převeden do řídicí elektrody (G) jako proud i_RG působením vlastní indukčnosti silových přívodů v okamžiku vypnutí spínače Q1.

Obr. 2. Náhradní zapojení součástek IGCT a ETO a řídicí vypínací proud iRG při jejich vypínání tvrdou komutací

Jak bylo vysvětleno v [1], z požadavku, aby u součástky IGCT způsobil kondenzátor C nabitý na napětí 20 V dostatečně rychlý nárůst i_RG, vyplývá nutnost snížit vlastní indukčnost smyčky, v níž se proud i_RG uzavírá pod hodnotou asi 5 nH. Naproti tomu u součástky ETO je tento požadavek méně přísný – indukčnost dráhy, kterou proud i_RG prochází, nemá překročit hodnotu 10 nH.

U součástky ETO (obr. 2) jsou spínače Q1 (MOSFET s N-kanálem) a Q2 (MOSFET s P-kanálem) komplementární; v zapnutém stavu součástky ETO je Q1 zapnut a Q2 vypnut (ve vypnutém stavu součástky ETO je tomu naopak). Spínač Q1 (a tím i celou součástku ETO) lze vypnout odejmutím kladného řídicího napětí z elektrody G1. Při vypínání součástky ETO, resp. v jejím vypnutém stavu, je tedy součástka Q2 zapnuta, a napětí na ní (U_S2D2) je proto omezeno hodnotu jen o málo větší, než je její prahové napětí. Součástka Q1 je připojena ke Q2 přes vrstvy P2, N2 tyristorové struktury v GTO, a proto napětí přiváděné z Q2 na Q1 nemůže být větší než napětí na Q2.

Je tedy zřejmé, že napětí na součástkách MOSFET Q1, Q2 je velmi malé; napěťové zatížení součástky ETO (tj. napětí U_AK) plně přebírá tyristorová struktura GTO. Součástky MOSFET Q1 a Q2 (obr. 2) jsou ve skutečnosti paralelně řazené skupiny součástek s minimálním propustným úbytkem napětí 0,2 V (schémata představují pouze principiální zapojení a nevystihují speciální technologické provedení součástek).

3. Přínos tvrdé komutace, přednosti a parametry součástky ETO

Pozornost bude nejprve věnována výhodám, které přináší tvrdá komutace, tj. vypínání s jednotkovým proudovým zesílením, kdy vypínací proces tyristorové struktury je převeden na vypnutí tranzistoru PNP s otevřenou bází. Půjde tedy o porovnání součástek IGCT a ETO se součástkami GTO vypínanými klasicky, tj. s proudovým zesílením 3 až 5. Podrobně byly poměry při vypínání součástky IGCT diskutovány v [1], a proto zde bude uveden jen výčet hlavních výhod.

Tab. 2. Časy průběhu anodového proudu ve struktuře GTO

Při vypínání tvrdou komutací nedochází uvnitř tyristorové struktury k proudové filamentaci, tj. k soustřeďování proudu do proudových kanálů. Průřez křemíkové destičky je tak zatěžován rovnoměrně, takže maximální přípustný proud celé součástky vzrůstá, aniž by při jejím vypínání byly některé oblasti průřezu tepelně přetěžovány. To jinými slovy znamená, že tvrdá komutace zvětšuje plochu tzv. bezpečné pracovní oblasti při vypínání^**) (Reverse Bias Safe Operating Area – RBSOA).

Obr. 3. Orientační výstupní voltampérové charakteristiky součástky ETO (podle [2]) získané simulací

Tvrdou komutací se při vypínání součástky zkracuje doba zpoždění (tj. doba přesahu), doba poklesu proudu (fall time) i doba doznívání proudu (tail time); tím vzrůstá „rychlost„ součástky, což znamená, že může pracovat s vyšší spínací frekvencí. Rovněž vzrůstá její odolnost k parametru du/dt. Souhrnným důsledkem potom je možnost pracovat bez odlehčovacích obvodů – snubberů pro vypínání.

Nyní bude porovnána součástka ETO se součástkou IGCT. Je zřejmé, že hlavní rozdíl bude dán použitím součástek MOSFET v součástce ETO. Oproti IGCT má součástka ETO významnou přednost ve schopnosti omezit poruchový proud procházející součástkou. Vznikající teplo omezuje tuto zkratuvzdornost na dobu řádově desítek mikrosekund, což je však postačující pro zásah nadproudových ochran (tuto výhodnou vlastnost mají také součástky IGBT). Schopnost omezovat anodový proud je vyjádřena výstupními charakteristikami součástky (obr. 3), které odpovídají charakteristikám I_D = f(U_D1S1) součástky MOSFET Q1 (obr. 2).

Z katalogových listů ETO4045TA03 byly již zmíněny parametry U_DRM = 4 500 V a I_TGQM = 4 000 A. V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty pro propustný úbytek napětí součástky ETO (včetně Q1), tj. parametr on-state voltage (napětí v propustném stavu) při různých anodových proudech. V tab. 2 jsou pro úplnost uvedeny časy, které se vztahují k průběhu anodového proudu v samotné struktuře GTO a které jsou důležité pro spínací režim součástky. Vhodná provozní spínací frekvence součástky ETO leží nad hodnotou 1 kHz.

Závěr

Polovodičová spínací součástka ETO je po součástce IGCT dalším, kvalitativně významnějším krokem ve využití tyristorové struktury pro spínání velkých proudů. Její parametry ji předurčují pro stavbu měničů o výkonu řádu desítek megawattů, např. pro stejnosměrné energetické přenosy. Součástka ETO je hybridní: slučuje v sobě výhody tyristorové struktury (vysoké proudové a napěťové parametry) s výhodným řízením unipolárních tranzistorů typu MOSFET (napěťové řízení se zanedbatelně nízkým příkonem). Současný vývoj je zaměřen na vybavení součástek ETO integrovanými inteligentními funkcemi (např. měření proudu, napětí a teploty, schopnost omezovat poruchový proud apod.). Takovéto pokročilé úpravy dosud přicházely v úvahu u součástek IGBT, nikoliv však u tyristorů (součástka IGBT je založena na bázi tranzistorů, principiálně má horší proudové i napěťové parametry, větší ztráty, avšak podstatně vyšší spínací frekvence než tyristorové součástky). Porovnání technických údajů i ceny (vztažené na jednotku výkonu) součástek IGBT, IGCT a ETO ukazuje, že – s výjimkou vysokých spínacích frekvencí součástek IGBT – nejsou hodnoty součástky ETO horší, ale ve většině ukazatelů naopak příznivější než u ostatních dvou součástek. Významná je rovněž skutečnost, že se součástka ETO na rozdíl od IGBT a IGCT nachází ještě před vrcholem své technické zralosti.

Literatura:
[1] BARTOŠ, S.: Součástky IGCT zjednoduší a zdokonalí výkonové polovodičové měniče. Elektro, 2000, č. 6, s. 3–5.
[2] LI, Y. – HUANG, A. Q. – LEE, F. C.: Introducing the Emitter Turn-off Thyristor (ETO). In: Industry Applications Conference, sv. 2, 12. až 15. říjen 1998, pp. 860–864.
[3] MOTTO, K. – LI, Y. – HUANG, A. Q.: Comparison of the state-of–the-art high power IGBTs, GCTs and ETOs. In: APEC 2000, Fifteenth Annual IEEE, sv. 2, 6. až 10. únor 2000, pp. 1129–1136.
[4] ETO4045TA03, data sheet. Center for Power Electronics Systems (CPES), Virginia Polytechnic Institute and State University Blackburg, VA 24061 USA.
[5] CHEN, B. – HUANG, A. Q. – ATCITTY, S. – EDRIS, A-A. – INGRAM, M.: Emitter Turn-Off (ETO) Thyristor: An Emerging, Lower Cost Power Semiconductor Switch with Improved Performance for Converter-Based Transmission Controllers. In: Industrial Electronics Society, 2005, IECON 2005, 32nd Annual Conference of IEEE, datum zveřejnění: 6. až 10. listopad 2005, pp. 662–667.

^*) pozn. red.: V mezinárodních katalogových listech je pro toto napětí používáno označení V_DRM (Voltage, napětí) – správné normalizované označení je však „U“.

^**) Bezpečná pracovní oblast součástky při vypínání je část obdélníku, jehož základna je dána jmenovitým blokovacím napětím součástky a jehož výška se rovná jmenovitému propustnému proudu součástky. V ideálním případě by pracovní bod měl mít možnost pohybovat se při vypínání po celé ploše obdélníku; v praxi však zůstává vyloučena jeho určitá část v oblasti pravého horního rohu, tj. oblast největších proudů při nejvyšších napětích.