خصائص وتطبيقات قواطع التيار المستمر لنموذج IEGT

أهم خصائص وتطبيقات قواطع التيار المستمر لنموذج IEGT

يطرح تطوير مشاريع التيار المستمر المرنة “ذات الجهد العالي” (HVDC) متطلبات عاجلة لتقنية قاطع الدائرة الكهربائية ذات الجهد العالي (DC)، بحيث يعد قاطع الدائرة (DC) المتحكم فيه بالكامل والذي يعتمد على أجهزة أشباه موصلات الطاقة أحد اتجاهات التطوير التقني الرئيسية وقد حقق بالفعل تطبيقات هندسية ناجحة.

نظراً لأن أجهزة أشباه موصلات الطاقة هي المكونات الرئيسية لقاطع دائرة التيار المستمر؛ فإن موثوقية عمل الأجهزة تؤثر بشكل مباشر على موثوقية عمل القاطع، كما أن كيفية اختيار الأجهزة المناسبة أمر بالغ الأهمية لتصميم قاطع دائرة التيار المستمر عالي الجهد الكهربائي.

كما يمكن أن يحقق “ترانزستور البوابة” المزود بالضغط (IEGT) جهداً منخفضاً على الحالة يشبه “ثايرستور” اغلاق وتفعيل البوابة (GTO) مع تحقيق قدرة كهربائية أفضل لإيقاف التيار الكهربائي المرتفع ومنطقة تشغيل أمان أوسع من “الترانزستور ثنائي القطب” المعزول بالبوابة ( IGBT)، كذلك الكثافة الحالية لـ (4500) فولت (IEGT) مع بوابات متعددة عند انخفاض الجهد الأمامي (2.5) فولت، والتي تزيد عن عشرة أضعاف كثافة بوابة الصمام التقليدية (IGBT).

كذلك يمكن أن يؤدي استخدام هيكل عبوة بتبديد الحرارة على الوجهين إلى تبريد كلا من جانبي المجمع والباعث وإحداث خصائص جيدة في تبديد الحرارة، وبسبب فقدان التوصيل المنخفض وخصائص تبديد الحرارة الجيدة؛ فإن (4.5) كيلو فولت / (3) كيلو أمبير (IEGT) يكون قادر على توصيل وإيقاف (20) كيلو أمبير لمدة (5) مللي ثانية مع درجة حرارة الوصلة (100) درجة مئوية فقط.

وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يمكن أن يوفر هيكل حزمة الضغط ووضع عطل ماس كهربائي أيضاً الراحة للتوصيل المتسلسل لـ (IEGTs) المتعددة، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات الجهد العالي، لذلك ونظراً لهذه المزايا، يعد (IEGT) مناسباً لانقطاع التيار العالي جداً وهو مرشح واعد لقواطع دوائر التيار المستمر عالية الجهد.

وفي ظل ظروف العمل لقاطع دائرة التيار المستمر ذات الجهد العالي، يكون تيار العطل الذي يتم إجراؤه بواسطة أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية (4 ~ 6) أضعاف التيار المقدر، كما وتعمل الأجهزة في حالة شبه التشبع عند إيقاف تشغيل تيار العطل، مما يؤدي إلى مخاطر كبيرة لتشغيل موثوق للأجهزة. لذلك يعد تحسين خصائص الإيقاف ثم تحقيق التشغيل الموثوق للأجهزة أجزاء لا غنى عنها في تصميم قاطع الدائرة.

يركز هذا البحث على تحليل خصائص فصل التيار العالي لـ (IEGT في تطبيقات قواطع دوائر التيار المستمر ذات الجهد العالي، كم يعد نموذج محاكاة (IEGT) ضرورياً للكشف عن المعلمات المؤثرة ذات الصلة وقوانين التأثير المقابلة لخصائص إيقاف تشغيل الأجهزة وهو مفيد لتقليل مخاطر تلف الجهاز والخسائر الاقتصادية، خاصة للأجهزة عالية الطاقة.

مساهمة قواطع دائرة التيار المستمر في كبح تيار العطل

تيار العطل الذي يتم إجراؤه بواسطة أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية في قاطع دارة تيار مستمر عالي الجهد يزيد عن عشرة آلاف أمبير، وهو أكبر بكثير من تيار المجمع المقدر (على الأكثر 3000 أمبير)، كما وتعمل الأجهزة في حالة شبه التشبع عند إيقاف التشغيل تيار الخطأ، بالإضافة إلى ذلك ولتقليل خسائر التوصيل والاستفادة الكاملة من قدرة التوصيل الحالية للأجهزة.

كذلك يكون جهد القيادة المحدد حوالي (18 ~ 20) فولت، وهو أكبر من ذلك في ظل ظروف التطبيق الأخرى، لذلك؛ فإن منطقة إزالة التشبع القريبة من منحنى خاصية (I-U) للحالة الثابتة، خاصةً تحت الفولتية الدافعة الكبيرة، وهي نقطة تركيز لا غنى عنها لهندسة قاطع الدائرة الكهربائية ذات الجهد العالي، كذلك هي الأساس لتحليل خسارة التوصيل والحد الأقصى لكسر التيار.

ومع ذلك؛ فإن المعطيات التي تقدمها أوراق بيانات (IEGT) تركز بشكل أساسي على ظروف عمل  المحولات، ولا تقدم منحنيات الحالة الثابتة (IU) في أي قيم لمناطق إزالة التشبع أو التشبع القريبة، والتي يجلب صعوبات لتطبيقات (IEGTs) في قواطع التيار المستمر، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن اعتماد طرق الاختبار مباشرة في المختبر يضع متطلبات عالية على المعدات التجريبية.

كما أنه من السهل إتلاف الأجهزة، نتيجة لذلك؛ فإن نمذجة منحنى خاصية (I-U) وخاصة الخصائص في المناطق القريبة من التشبع تحت جهد قيادة كبير، كما يعد أمراً مهماً لتطبيق (IEGTs) في قواطع دوائر التيار المستمر عالية الجهد.

أيضاً يعد حساب التوزيع الحامل الزائد عن طريق حل معادلة الانتشار ثنائي القطب ثم الحصول على تيارات الإلكترون والثقوب الأجزاء الرئيسية لنمذجة الحالة الثابتة، وذلك كنوع خاص من (IGBT)، بحيث يحتوي (IEGT) على العديد من الميزات المشابهة لـ (IGBT) من منظور هيكل الرقاقة وآلية العمل وما إلى ذلك، وفي الوقت نفسه، يحتوي (IEGT) على أقطاب بوابة خندق أعمق وأوسع من تلك الموجودة في (IGBT)، مما يزيد من كثافة الناقل داخل الجهاز ويمنع الناقلات من المرور إلى القطب الباعث.

وبالتالي، يحدث تراكم الموجة الحاملة، كما ويزداد توزيع الموجة الحاملة للقاعدة (N) على جانب القطب الكهربي للمرسل، أي يحدث تأثير تعزيز الحقن (IE)، ونتيجة لذلك؛ فإن اعتماد طرق حساب توزيع الموجة الحاملة استناداً إلى تقريب توزيع الموجة الحاملة أحادي البعد، على سبيل المثال، هناك نماذج (Hefner) و (Kraus)، كما أنه سيؤدي إلى أخطاء كبيرة.

ولوصف تأثير (IE) ثم حساب تيارات الإلكترون والثقوب بدقة، يجب مراعاة التأثيرات ثنائية الأبعاد في منطقة القناة (N) عند حل معادلة الانتشار ثنائي القطب، ومع ذلك بغض النظر عما إذا كانت طرق التكرار العددي أو الاشتقاقات التحليلية التقريبية مستخدمة، كما أن هناك حاجة إلى بعض معلمات بنية الرقاقة، مثل المسافة من أسفل بوابة الخندق إلى القاعدة (P) ونصف عرض الخلية ونصف العرض بين الخلايا.

بالإضافة إلى ذلك؛ فإن تحديد معطيات البنية هذه لـ (IEGTs) في هندسة قواطع الدائرة (DC) يعتبر أمر صعب وغير عملي، مما يحد من تطبيق هذه الطرق، لذلك؛ فإن طريقة بسيطة لنمذجة خصائص خرج الحالة الساكنة ضرورية لتطبيق (IEGTs) في قواطع دوائر التيار المستمر.

عملية الإيقاف المؤقتة للجهاز ضمن حماية القاطع

تعد نمذجة عملية الإيقاف المؤقتة للجهاز أمراً ضرورياً أيضاً لتحليل تجاوزات الجهد العابر لإيقاف التشغيل وخسائر إيقاف التشغيل وتأثيرات دائرة القيادة والمحثات الشاردة في عملية الإيقاف وما إلى ذلك، كما تعتبر السعات غير الخطية بين أطراف الجهاز أجزاء أساسية من النموذج العابر ولها تأثير مهم على معدل زيادة جهد المجمع-الباعث أثناء عملية الإيقاف.

وبالإضافة إلى ذلك، ترتبط السعات غير الخطية ارتباطاً وثيقاً بهيكل البوابة، وكما ذكر أعلاه؛ فإن (IEGT) لديها هيكل بوابة خندق أعمق وأوسع من هيكل (IGBT)، كما تؤثر ميزة (IEGT) هذه بالفعل على حسابات السعات غير الخطية، لذلك تم تحسين السعات اللاخطية، بحيث يستخدم هذا النموذج المحسن لإعادة إنتاج أشكال الموجات المميزة لمنفذ الجهاز المستهدف والتي تم الحصول عليها مسبقاً بناءً على التجارب.