Entwicklung von Leistungshalbleitern: Die Suche nach dem idealen Schalter

Von Anfang an konzentrierte sich die Entwicklung von Leistungshalbleitern darauf, den idealen Schalter zu finden – einen mit den geringsten Einschalt- und Schaltverlusten, der höchstmöglichen Schaltfrequenz und einer einfachen Ansteuerschaltung. Während Niederspannungsanwendungen kontinuierlich von Fortschritten profitierten, waren Mittelspannungsanwender auf GTOs (Gate Turn-Off Thyristoren) beschränkt. Mit dem Aufkommen von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) für höhere Leistungen kam jedoch neue Hoffnung auf.

ABBs Erforschung: Die Entwicklung vom GTO zum GCT

ABB Schweiz erkundete neue Wege, um die Vorteile von IGBTs für höhere Leistungen zu nutzen und gleichzeitig die Stärken der GTOs beizubehalten. Diese Erforschung führte zur Entwicklung des GCT (Gate Commutated Thyristor), einer Weiterentwicklung des GTO. Der GCT brachte mehrere Verbesserungen mit sich, darunter eine neue Gate-Verbindung, fortschrittliche Gehäusetechnologie, monolithisch integrierte Dioden und eine vereinfachte Leistungsschaltung.

Das Geheimnis des GCT: Überwindung der Steuerungsherausforderungen

Der GCT löst die Hauptproblematik des GTO – die Steuerung beim Abschalten. Traditionelle GTOs zeigten Instabilitäten beim Übergang vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand, weshalb Snubber-Schaltungen zur Stabilität erforderlich waren. Der GCT begegnet diesem Problem mit einem Hard-Drive-Ansatz, der ein stabiles und schnelles Abschalten ohne Snubber-Schaltungen gewährleistet.

IGCT-Technologie: Ein Quantensprung bei Hochleistungswandlern

Die IGCT-Technologie (Integrated Gate Commutated Thyristor) von ABB stellt einen bedeutenden Fortschritt bei Hochleistungswandlern dar. Durch die Integration von niederinduktiven Ansteuerschaltungen, die Optimierung der Siliziumtechnologie und die Verbesserung der Wandlerintegration bieten IGCTs zahlreiche Vorteile, darunter geringere Verluste, kleinere Baugröße und höhere Zuverlässigkeit. Die Technologie ermöglicht die Herstellung modularer, skalierbarer Wandler mit klaren und abgestimmten Entwicklungsprozessen.

Integration und modulares Design: Die Zukunft der Hochleistungswandler

Die IGCT-Technologie führt zwei Integrationsstufen ein – monolithisch auf dem Wafer und hybrid für die GCT-Peripherie. Diese Integration vereinfacht das Wandlerdesign, reduziert die Größe und verbessert die Zuverlässigkeit. Der modulare Ansatz erweitert zudem das Anwendungsspektrum, wobei IGCT-Wandler Leistungsbereiche von 250 kW bis 100 MW abdecken können.

Reduzierung der Schaltungskomplexität: Vereinfachung des Wandlerdesigns

GCTs schalten wie Transistoren ab und eliminieren somit die für GTO-Wandler erforderlichen Snubber-Bauteile. Diese Vereinfachung reduziert die Schaltungskomplexität und die Gesamtkosten, wodurch IGCT-Wandler mit herkömmlichen IGBT-Wandlern konkurrenzfähig sind.

IGCT-Wandler im Einsatz: Bewährte Zuverlässigkeit

Die ersten IGCTs wurden in von ABB errichteten Anlagen installiert, wobei das prominenteste Beispiel die 100-MW-Verbindung des Bahnsystems „Bremen“ ist. Diese IGCTs sind seit 1996 fehlerfrei im Betrieb und demonstrieren ihre überlegene Zuverlässigkeit und einfache Reihenschaltung.

Die Vorteile der IGCT-Technologie: Ein würdiger Nachfolger des GTO

Die IGCT-Technologie vereint die Stärken von GTOs und IGBTs und bietet hohe Spannungsfestigkeit, geringe Verluste, hohe Schaltfrequenz und ausgezeichnete Zuverlässigkeit. Mit ihrem modularen Design, der vereinfachten Schaltung und hoher Effizienz ist die IGCT-Technologie prädestiniert, der ideale Nachfolger der GTOs in Hochleistungsanwendungen zu werden.