Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках пи­тания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим:

• малые потери при коммутации;

• большая скорость переключения из одного состояния в другое;

• малое потребление по цепи управления;

• большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается, и силовые приборы непрерыв­но совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000А и рабочее напряжение свыше 6 кВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управ­ления силовыми ключами.

Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполярные транзисторы. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. К последним достижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статичес­кой индукцией (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затво­ром (IGBT). Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500А при напряжении до 2000В. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры). Для коммутации це­пей переменного тока разработаны спе­циальные симметричные тиристоры — симисторы.

 

6.1 Динисторы.

Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три р-и-перехода. Край­няя область Р называется анодом, а другая крайняя область N — като­дом. Структура динистора приведена на рис. 55.а. Три p-n-перехода динисто­ра обозначены как J_U J₂ и J₃. Схемати­ческое изображение динистора приведе­но на рис.55б

Схему замещения динистора мож­но представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис.. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а кол­лекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы J , и J будут смещены в прямом направлении, а переход J₂ — в обрат­ном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу J₂. При­мем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов Т\ и Т2 имеют значения а, и а₂ соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис.56б найдем ток через тиристор, равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки I_кО

 

I= ₁Iэ1+ ₂Iэ₂+I_кО

Ток во внешней цепи равен I_э1=I_э2=I, поэтому после подстановки I в ()

откуда получим значение внешнего тока

найдем

I(1- ₁ - ₂)=I_кО,

 

I=

Рис. 57

Тиристор.

Способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзисто­ров Т₁, или Т₂. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэффициент переда­чи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. Расположение этих управляющих электродов и схематические обозначения тиристоров приведены на рис.. Вольт-амперная характеристика тиристора приведена на рис.. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напря­жение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с уп­равляемым напряжением включения.

После включения управляющий электрод теряет управляющие свой­ства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основ­ные схемы выключения тиристора такие же, как и для динистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило название «эффекта dU/dt». Оно связано с зарядом емкости пере­хода C_J2 при быстром изменении на-пряжения на аноде тиристора (или динистора): i_c2 = C₂dU/dt. Даже при небольшом на­пряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.

С начала разработок и производства тиристоров сложились две системы условных обозначений тиристоров диодных (динисторов) и тиристоров триодных.

Согласно ГОСТ 10862-72 условные обозначения импульсных тиристоров, средний ток которых не превышает 20А, содержит 4 элемента: первый — буква или цифра, соответствующая материалу, из которого изготовлен прибор (например, Г или 1 — германий или его соединения; К или 2 — кремний или его соединения; А или 3 — соединения галлия); второй — буква, указывающая на вид прибора (Н — тиристор диодный; У — тиристор триодный); третий — число, указывающее назначение и каче­ственные свойства приборов (малой мощности — от 101 до 199, средней мощности — от 201 до 299); четвертый — буквы, указывающие на определенные сочетания основ­ных параметров (например: КУ201А — кремниевый триодный тиристор средней мощ­ности (0,ЗА<=/_ср<=10А) с сочетанием параметров А).

На силовые тиристоры на средний ток 10А и более, согласно ГОСТ 20859-79, ус­ловные обозначения содержат следующие четыре элемента: первый — тип тиристора (Т — незапираемый, ТЛ — лавинный и т. д.); второй — буква, определяющая подвид прибора (4 — высокочастотный; Б — быстродействующий; И — импульсный); третий — определяет конструкцию прибора (бескорпусная, таблеточная и т. д.); четвертый — циф­ры, указывающие максимально допустимый средний ток в открытом состоянии.

Тиристоры каждого типа всех видов и подвидов подразделяются на классы по зна­чениям повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и повторяюще­гося импульсного обратного напряжения в открытом состоянии. Кроме того, тиристоры подразделяются на группы по du/dt. Например: ТЛ-320-10-6 — тиристор лавинный, пер­вой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конструктивное исполнение — штыревое с гибким выводом, сред­ний ток в открытом состоянии 320А, повто­ряющееся напряжение 1000В (10 класс), критическая скорость нарастания напряже­ния в закрытом состоянии 500В/мкс.

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:

допустимое обратное напряжение С/_о6р;

напряжение в открытом состоянииU_nf при заданном прямом токе;

допустимый прямой ток I_пр;

времена включения t_BKJl и выключе­ния t_выкл.
Рис. 58

При включении тиристора током управ­ления после подачи импульса тока I_yt, в уп­равляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристо­ра. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную на

рис.59

 

Рис.59

Рис. 60

 

Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки 1_Ш, которое зависит от амплитуды импульса тока управления /_у/. При достаточно большом токе управления время задержки снижается до долей микросекунды (от 0,1 до 1...2мкс).

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют време­нем лавинного нарастания. Это время существенно зависит от начального прямого напряжения U_про на тиристоре и прямого тока I_пр через включенный тиристор. Включе­ние тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда I_yt длительность t_иу, скорость нарастания dl_y/dt отвечали определенным тре­бованиям, которые обеспечивают включение тиристора в заданных условиях. Длитель­ность импульса тока управления должна быть такой, чтобы к моменту его оконча­ния анодный ток тиристора был больше тока удержания I_{y уд} .

Если тиристор выключается приложением обратного напряжения U_о6р, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления обратного сопро­тивления t_об и время выключения t_вык. После окончания времени восстановления t_об.в ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время t_вык к тиристору можно повторно приклады­вать прямое напряжение U_пр.О.

Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управления. По­тери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

 

Симисторы

Симистор — это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпря­мителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора при­ведена на рис. 61 а, а его схематическое обозначение на рис. 61 б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом прово-димостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис

Рис. 61

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импуль­са управления.

 

Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора.

а) б)

Рис. 62

Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тири­сторами с общим электродом управления. Так, например, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400 В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает О,2A, а время включения — не более 10 мкс.

Рис.63

 

Фототиристоры и фотосимисторы — это тиристоры и симисторы с фотоэлектрон­ным

 

управлением, в которых управляющий электрод заменен инфракрасным светодиодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов явля­ется гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. В качестве примера рас­смотрим устройство фотосимистора, выпускаемого фирмой «Сименс» под названием СИТАК. Структурная схема прибора СИТАК приведена на рис.62 а, а его условное схема­тическое изображение — на рис.62 б.

Такой прибор потребляет по входу управления светодиодом ток около 1,5 мА и ком­мутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600 В. Такие при­боры находят широкое применение в качестве ключей переменного тока с изолирован­ным управлением. Они также могут использоваться при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая при этом гальваническую развязку цепей управления. Малое потребление цепи управления позволяет включать СИТАК к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ. В качестве примера на рис.63 приведено подключе­ние прибора СИТАК к микропроцессору для регулирования тока в нагрузке, подключен­ной к сети переменного напряжения 220 В при максимальной мощности до 66 Вт.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затворо

(MOSFET) и выходного биполярного n-p-n-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых удачно сочетаются особен­ности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

 

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, который не нахо­дил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приве­дено на рис.. На этой схеме VT— полевой транзистор с изолированным затво­ром, R₁ — паразитный биполярный транзистор, R₂ — последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R₂ — сопротивление, шунтирующее переход база-эмит­тер биполярного транзистора T1. Благодаря сопротивлению R₂ биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характеристики MOSFET, приведенные на рис., характе­ризуются крутизной S и сопротивлением канала R_t.

 

 

IGBT транзистор

Структура транзистора IGBT аналогична структуре MOSFET, но дополнена еще од­ним p-n-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис.64) появляется еще один p-n-p-транзистор T2.

 

I_c=I_э(1-- ₁-- ₂).

Поскольку ток стока I_C MJSFET можно определить через крутизну S и напряжение U_З на затворе I_Э=SU_Э, определим ток IGBT транзистора

 

 

-( 1+ 2)] — эквивалентная крутизна биполярнозатв

Образовавшаяся структура из двух транзисторов T1 и T2 имеет глубокую внутрен­нюю положительную обратную связь, так ток коллектора транзистор влияет ток базы транзистора T1, а ток коллектора транзистора T1 определяет ток базы транзи­стора T2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов 71 и T2 имеют значения ₁, и ₂ соответственно, найдем I_к2=I_{2 2}, I_к1=I_{:э1 1}.

 

Рис. 64

 

Очевидно, что при ₁ + ₂ l эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну IGBT. Регулировать значения ₁, и ₂ можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора. На рис. приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с MOSFET. Так, например, для транзистора BUP 402 полу­чено значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение пос­ледовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами T и Т2, включенными последовательно.

Условное схематическое изображение IGBT приведено на рис. 6.13. Это обо­значение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изобра­жается как в MOSFET, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы IGBT подобна MOSFET, т. е. в ней отсутствует уча­сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13 б приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности им­пульса 10 мкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены MOSFET с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5... 6 В.

Быстродействие IGBT несколько ниже быстродействия полевых транзисто­ров, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследова­ния показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5…1,0 мкс.

 

.

Рис. 65

 

РАЗДЕЛ 2

Источники электропитания

7. Источники питания

Первый функциональный узел источника питания – это выпрямитель: устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть [4].

Выпрямители с потребляемой нагрузкой мощностью до нескольких сотен ватт относят к классу маломощных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д. При указанной мощности нагрузки задачу преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока.

Первый функциональный узел источника питания – это выпрямитель: устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть [4].

Выпрямители с потребляемой нагрузкой мощностью до нескольких сотен ватт относят к классу маломощных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д. При указанной мощности нагрузки задачу преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока. Структурная схема однофазного выпрямителя показана на рис.66. Трансформатор на входе диодной схемы выполняет вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного напряжения u₂ при заданном первичном напряжении u₁.

Рис.66 – Структура маломощного источника питания

Имеются схемы выпрямителей, в которых трансформатор является их неотъемлемой частью, например схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора. Мостовая схема выпрямления нашла наибольшее применение в маломощных выпрямителях однофазного тока. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения u₂(wt) однополярных полуволн напряжения на u_d(wt) (рис. 67). Напряжение u_d(wt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая U_d определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Рис. 67 – Временные диаграммы выпрямления

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую, которая определяется разностью напряжений u_d(wt) – U_d. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих фильтров (рис. 67).

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и, наоборот – постоянному току. Сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор – параллельно ей.

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Путем выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам на пассивных компонентах, кроме одиночной ёмкости, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для сглаживающего фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой может быть стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: