Characterization of Gate Controlled Diodes for IGCT Applications
Gegenstand dieser Arbeit ist die Charakterisierung des Durchlassverhaltens, des Blockierverhaltens und des Ausschaltverhaltens von Prototypen neu entwickelter Bauelemente, die als "Gate-Gesteuerte Diode" (Gate Controlled Diode, GCD) bezeichnet werden. Diese Bauelemente wurden hergestellt und vorab getestet bei ABB, Schweiz. Die experimentellen Resultate werden beschrieben und bewertet. Weiterhin wird die Hauptapplikation der GCD, die Reihenschaltung von IGCTs, untersucht. In Applikationen von Mittelspannungsstromrichtern ist die Reihenschaltung von IGCTs eine einfache Lösung zur Erhöhung der Ausgangsspannung in Dreipunkt Spannungswechselrichtern. Für eine sinnvolle Reihenschaltung von IGCTs muss eine symmetrische Spannungsaufteilung während des Blockierens sowie beim Ein- und Ausschalten gewährleistet sein. In aktuellen Anwendungen sind RC-Snubber eine einfacher Ansatz zur Spannungssymmetrierung zwischen den in Reihe geschalteten IGCTs und Dioden. Diese Snubberbeschaltungen haben unerwünschte Effekte wie erhöhte Schaltverluste, Platzbedarf und erhöhte Kosten zur Folge. Der Inhalt der vorliegenden Dissertationsschrift ist die Einführung des neu entwickelten Bauelements, der Gate-Gesteuerten Diode als kostengünstige Möglichkeit zur Spannungssymmetrierung von in Reihe geschalteten IGCTs ohne passive Snubber. In dieser p+nn+-Diode wird durch einen über einen zusätzlichen Gate-Anschluss zugeführten positiven Gate-Strom eine Spannungssymmetrierung zwischen den in Reihe geschalteten IGCTs und Dioden durch Veränderung des entsprechenden Blockierstromes erreicht. In dieser Arbeit wird erstmalig gezeigt, dass ein kleiner Gate-Strom im Bereich einiger Milliampere benötigt wird, um eine statische symmetrische Spannungsaufteilung zu erreichen während für eine dynamische symmetrische Spannungsaufteilung während des Ausschaltens des IGCTs eine ausreichende Gate-Ladung notwendig ist. Das Press-Pack-Gehäuse der GCD bietet Vorteile hinsichtlich Platzbedarf und Montageaufwand verglichen mit der Anwendung von passiven Netzwerken. Das Rückwärtserholverhalten der GCD kann durch einen eingebrachten Gate-Strom positiv beeinflusst werden. Diese Eigenschaft kann in Dioden für den Mittelspannungsbereich (10-kV-Dioden) angewendet werden. In normalem Umrichterbetrieb kann die Gate-Gesteuerte Diode, die antiparallel zum IGCT geschaltet ist, als normale Freilaufdiode arbeiten. Durch die Injektion eines Gate-Stromes während des Blockierens kann der Ausschaltstrom des abschaltenden IGCTs reduziert werden. Diese Anwendung wurde ebenfalls experimentell untersucht.Die Resultate der experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die Gate-Gesteuerte Diode eine viel versprechende Lösung in der Anwendung von in Reihe geschalteten IGCTs in Mittelspannungsstromrichtern ist.
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