Принцип действия: см. вопрос 18.

Стоковые характеристики:

20. Полевые транзисторы. Особенности управления:

Сегодня большинство высокочастотных схем силовой электроники построено на основе полевых транзисторов с изолированным затвором. Полевые транзисторы стали одними из самых распространенных элементов электроники и входят в состав изделий - от микропроцессоров до силовых интегральных схем. Рассмотрим отдельные варианты схем, в которых используются силовые полевые транзисторы. Прямое управление от контроллера. В импульсных источниках питания для управления транзистором служит драйвер, входящий в элемент ШИМ-контроллера. Одна из немногих проблем - ограниченный выходной ток драйвера, что учитывает ограничения на управление мощными транзисторами с высокой скоростью, а так же лишняя рассеиваемая мощность в драйвере. Эта проблема может быть решена с помощью внешнего затворного резистора, величиной шунтирующего конденсатора, и тщательным проектированием разводки элементов цепи. Одна из популярных и эффективных схем управления полевым транзистором - двухтактный каскад из биполярных транзисторов. Данная схема - схема двухтактного драйвера, значительно облегчает работу контроллера, принимая на себя большие броски тока и рассеивание мощности. Помимо необходимости расположения драйвера в близости от силового ключа, на нем необходимо использовать свой шунтирующий конденсатор. Особенность этого драйвера заключается во взаимной защите транзисторов от пробоя обратным током. Двухтактный биполярный драйвер не требует никаких защитных диодов. Двухтактный драйвер на полевых транзисторах. Все достоинства данного драйвера полностью совпадают с предыдущим, на биполярных транзисторах. Но все, же есть отдельные недостатки. Драйвер инвертирует входной сигнал, поэтому контроллер так же должен инвертировать сигнал, поэтому придется использовать дополнительный инвертор. Управление Р-канальным силовым транзистором, включенным по схеме с общим истоком, с помощью высоковольтного КМДП-вентиля. Вентили на взаимодополняющих (КМДП) транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник являются базисными элементами современных микросхем. В приведенной схеме исток Р-канального транзистора подключен к положительному источнику питания, а управляющий вентиль имеет, к тому же, дополнительный отрицательный источник питания. При низком уровне напряжения на выходе вентиля, мощный силовой транзистор открыт, а при высоком - закрыт.

21. Силовые полупроводниковые приборы. Способ снижения потерь при коммутации:

Силовые полупроводниковые приборы ввиду высокой чувствительности их параметров к состоянию поверхности полупроводника должны быть надежно загерметизированы, что устанавливается испытаниями на просачивание воздуха. Методы испытаний в зависимости от конструкции прибора и степени негерметичности могут быть различными.

Силовые полупроводниковые приборы обладают низкой теплоемкостью, поэтому их перегрузочная способность невысокая. Это объясняется тем, что вследствие высокой стоимости кремния имеется тенденция к интенсивному использованию p - n - переходов путем повышения плотности тока при усиленном теплоотводе.

Силовые полупроводниковые приборы (при сборке их в панельные блоки) и релейно-контакторные аппараты с задним присоединением электрического монтажа устанавливаются на изоляционных плитах. По шаблонам в плитах сверлятся и фрезеруются установочные отверстия.

Силовые полупроводниковые приборы по принципу действия подразделяются на три основные группы: силовые неуправляемые вентили - диоды, силовые транзисторы и силовые управляемые вентили - тиристоры.

Применение силовых полупроводниковых приборов в различного рода преобразователях электрического тока позволило резко повысить надежность этих устройств. Поэтому очевидно, что вопросы проектирования схемы, условия эксплуатации и надежность отдельных узлов или приборов следует рассматривать комплексно с учетом их взаимного влияния.

Циклостойкость силовых полупроводниковых приборов во многом зависит от качества контактных соединений полупроводникового элемента с токоподводящими контактами.

Создание мощных силовых полупроводниковых приборов таблеточного типа выдвигает па передний план проблему обеспечения долговременного падежного контакта прибор - охладитель. Этот контакт обеспечивает специальное устройство, прижимающее охладители к прибору. Устройство представляет собой систему, состоящую из траверсы и болтов, передающих усилия охладителям. В данном разделе предлагается методика определения механических напряжений в охладителях от усилий, передаваемых стяжными болтами, и проверки прочности охладителей.

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.

Способ снижения потерь при коммутации:

Ключи силовой электроники с обычными тиристорами, GTO или MCT (MOS-управляемые тиристоры) для гарантированной работы в безопасной области требуют наличие цепей для уменьшения потерь, т.е. без таких цепей не обойтись, если компоненты должны выполнять свои основные функции при коммутации. В отличие от этого, SOA-характеристики современных IGBT и MOSFET допускают работу без дополнительных цепей, и такие цепи могут служить только для уменьшения потерь при коммутации или для обеспечения симметрии при каскадировании.

На рис.3.78 показан традиционный понижающий преобразователь с IGBT и простыми цепями для уменьшения потерь.

Рис. 3.78. Понижающий преобразователь с IGBT и простыми цепями для уменьшения потерь

В начале IGBT закрыт (v_ce v_DC), и ток нагрузки проходит через обратную цепь. Процесс коммутации от обратного диода к IGBT (индуктивная коммутация) переходит при активном включении IGBT. Как только индуктивность цепи достигла определенного значения, коммутационное напряжение при нарастании тока коллектора будет почти полностью поглощаться (соответствует напряжению питания преобразователя), так что напряжение коллектор-эмиттер быстро упадет до очень низкого уровня. В то же время индуктивность цепи уменьшит скорость коммутации тока.

При рассмотрении обоих аспектов, можно значительно уменьшить потери при выключении IGBT. Характеристики тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер соответствуют мягкой коммутации, как показано в п. 0. В п. 3.8.3 мы продемонстрируем, что при помощи простой катушки в несколько мкГн будет значительно уменьшена рассеиваемая мощность IGBT и MOSFET очень эффективно. Дополнительно к уменьшению потерь IGBT при включении, потери при выключении обратных диодов также снизятся при индуктивной коммутации, поскольку уменьшенная скорость коммутации тока приведет к низкоуровым обратным выбросам тока.

22. Динистор. ВАХ. Схема включения:

Динистор — это двухэлектродный прибор, разновидность тиристора и, как я уже говорил, не полностью управляемый ключ, который можно выключить, только снизив ток, проходящий через него. Состоит он из четырех чередующихся областей различного типа проводимости и имеет три np-перехода. Соберем гипотетическую схему, похожую на ту, что мы использовали для изучения диода, но добавим в нее переменный резистор, а диод заменим динистором:

Итак, сопротивление резистора максимально, прибор показывает «0». Начинаем уменьшать сопротивление резистора. Напряжение на динисторе растет, ток по-проежнему не наблюдается. При дальнейшем уменьшении сопротивления в определенный момент времени на динисторе окажется напряжение, которое в состоянии его открыть (U_откр). Динистор тут же открывается и величина тока будет зависеть лишь от сопротивления цепи и самого открытого динистора – «ключ» сработал.

Как же закрыть ключ? Начинаем уменьшать напряжение – ток уменьшается, но только за счет увеличения сопротивления переменного резистора, состояние динистора остается прежним. В определенный момент времени ток через динистор уменьшается до определенной величины, которую принято называть током удержания (I_уд). Динистор мгновенно закроется, ток упадет до «0» — ключ закрылся.

Таким образом динистор открывается, если напряжение на его электродах достигнет U_откр и закрывается, если ток через него меньше I_уд. Для каждого типа динистора, само собой, эти величины различны, но принцип работы остается один и тот же. Что произойдет если динистор включить «наоборот»? Собираем еще одну схему, поменяв полярность включения батареи.

Сопротивление резистора максимально, тока нет. Увеличиваем напряжение – тока все равно нет и не будет до тех пор, пока напряжение на динисторе не превысит максимально допустимое. Как только привысит – динистор просто сгорит. Попробуем то, о чем мы с вами говорили, изобразить на координатной плоскости, на которой по оси Х отложим напряжение на динисторе, по Y — ток через него:

Таким образом, в одну сторону динистор ведет себя как обычный диод в обратном включении (просто заперт, закрыт), в другую лавинообразно открывается но лишь при определенном на нем напряжении или так же закрывается, как только ток через открытый прибор снизится ниже заданного паспортного значения.

Таким образом, основные параметры динистора можно свести к нескольким значениям:

- Напряжение открывания;
- Минимальный ток удержания;
- Максимально допустимый прямой ток;
- Максимально допустимое обратное напряжение;
- Падение напряжени на открытом динисторе.

ВАХ:

Рис. 5.4. Вольт-амперная характеристика динистора

Динистор характеризуется максимально допустимым значением прямого тока (рис. 5.4), при котором на приборе будет небольшое напряжение . Если уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током , ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т. е. динистор переходит обратно в закрытое состояние, соответствующее участку 1. Напряжение между анодом и катодом, при котором происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют напряжением включения .

При подаче на анод отрицательного напряжения коллекторный переход смещается в прямом направлении, а эмиттерные переходы в обратном направлении. В этом случае не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток.

Схема включения:

Переход 1 представляет собой эмиттерный переход первого транзистора, через который дырки инжектируют из области р ₁ в область n ₁, выполняющую роль базы для этого транзистора. Пройдя базу и коллекторный переход 2, инжектированные дырки появляются в коллекторе р ₂ первого транзистора, который в то же время служит базой второго транзистора.

Этот ток определяется выражением I _p = I_{p КО} + α₁ I _н, где I _{р КО} — обратный дырочный ток коллекторного перехода; α₁ — коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора.

Появление дырок в базе р ₂ второго транзистора (n ₂ = p ₂ = n ₁) приводит к образованию нескомпенсированного объемного заряда. Этот заряд, понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области n ₂ второго транзистора в область р ₂, являющуюся базой для второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор n ₁ второго транзистора, служащий одновременно базой первого транзистора (p ₁ — n ₁ — p ₂). Значение электронного тока равно I _n = I_{n КО} + α₂ I _н, где I _{n КО} — обратный электронный ток коллекторного перехода; α ₂ — коэффициент передачи тока эмиттера второго транзистора.

Учитывая, что дырки и электроны движутся навстречу друг другу, суммарный ток рассматриваемой структуры I _н = I_р + I_n = I_{p КО} + I_{n КО} + (α₁ + α₂) I _н = I _КВО + α_Σ I _н, где I _КВО — обратный ток тиристора, а α _Σ — суммарный коэффициент передачи тока эмиттера.

Решая полученное выражение относительно I _н, получают

I _н = I _КВО / (1 — α_Σ).

23. Динистор. ВАХ. Схема выключения:

Схема выключения:

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения I_выкл или поменяв полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 6.4. В первой схеме прерывается ток в цепи динистора. Во второй схеме напряжение на динисторе делается равным нулю. В третьей схеме ток динистора понижается до I_выкл включением добавочного резистора R_д.
В четвертой схеме при замыкании ключа К на анод динистора подается напр

24. Динистор. ВАХ. Схема замещения:

Схема замещения:

 

 

 

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис. 6.2. 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 J₁ и У₃ 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 T1 и T2 имеют значения a₁ и a₂ соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис. 6.2 б, найдем ток через переход J₂, равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки I_ко этого перехода:

 

25. Тиристор. ВАХ. Области применения:

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

ВАХ:

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V_G, подаваемому на первый p₁-эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения V_G падает на коллекторном переходе П₂, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.

При достижении напряжения V_G, называемого напряжением включения U_вкл, или тока J, называемого током включения J_вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Рис. 7.4. ВАХ тиристора:
V_G - напряжение между анодом и катодом; I_у, V_у - минимальный удерживающий ток и напряжение; I_в, V_в - ток и напряжение включения

Области применения:

Применение тиристоров в системе самовозбуждения синхронного генератора позволяет наиболее полно использовать эффективность действия последовательных трансформаторов без применения каких-либо дополнительных элементов, согласующих работу последовательных трансформаторов с действием выпрямительного трансформатора. В случае использования трансформаторов без зазоров в их магнитопроводе, в частности в силовых трансформаторах тока, обычно (в схемах фазового компаундирования) приходится вводить балластные сопротивления - реакторы.

В настоящее время область применения тиристоров быстро расширяется. Ими заменяют тиратроны и ртутные выпрямители. Их устанавливают на электровозах для питания двигателей постоянного тока при электрификации транспорта на переменном токе. Они служат бесконтактными переключателями в самых различных схемах и устройствах.

26. Тиристор. Общие черты и отличия ВАХ тиристора и динистора:

Вольт-амперная характеристика, ВАХ динистора, имеет вид на рисунке 3.

 

Устойчивое состояние (точка D на ВАХ) достигается в результате перехода транзисторов тиристора в режим насыщения. Падение напряжения на открытом динисторе — тиристоре составляет около 1,5 – 2,0 вольта.

Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, то крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 оказываются смещенными в прямом направлении, а центральный переход П2 в обратном.

С увеличением анодного напряжения Uа, ток через динистор сначала растет медленно (участок А — В на ВАХ). Сопротивление перехода П2, в этом режиме еще велико, это соответствует запертому состоянию динистора.

При некотором значении напряжения (участок В — С на ВАХ). называемым напряжением переключения Uпер (напряжение лавинного пробоя перехода П2), динистор переходит в проводящее состояние.
В цепи устанавливается ток (участок D – E на ВАХ), определяемый сопротивлением внешней цепи Rн и величиной приложенного напряжения U (рис 2).
Напряжение пробоя динистора, в зависимости от экземпляра, изменяется в широких пределах и имеет значения порядка десятков и сотен вольт.
На вольт – амперной характеристике, ВАХ (рис 3.), обозначены участки:
- А – В участок в прямом включении, здесь динистор заперт и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения лавинного пробоя;
- В – С участок пробоя коллекторного перехода;
- C — D участок отрицательного сопротивления;
— D — E участок открытого состояния динистора (динистор включен).

Динистор имеет два устойчивых состояния:
— заперт (А – В)
— открыт (D — E)

В участке A – D – E явно просматривается кривая ВАХ диода.

♦ Тиристор имеющий три электрода – анод, катод и управляющий электрод – называется тринистором или просто тиристором. Четырех слойная структура типа p – n – p – n является единой для тиристора – динистора. Просто, у динистора отсутствует дополнительный вывод управляющего электрода.
При подаче тока в цепь управляющего электрода, тиристор переключается в открытое состояние при меньших значениях напряжения переключения Uпер.
Если каким-то образом уменьшать ток, проходящий через динистор — тиристор, то при некотором его значении (точка D на ВАХ) тиристор закроется.Минимальный ток, при котором тиристор — динистор переходит из открытого в закрытое состояние (при токе управляющего электрода Iу =0) называется током удержания Iуд.
Если через управляющий электрод тиристора пропустить отпирающий ток, то тиристор перейдёт в открытое состояние. Включение транзисторного аналога тиристора (рис 2) можно осуществить по двум входам: между электродами (Э1 –Б1), либо между электродами (Э2 – Б2).

♦ Вольтамперная характеристика тиристора (Рис 4), похожа на вольтамперную характеристику динистора.
Однако отпирание тиристора обычно происходит при существенно более низком напряжении, чем необходимо динистору. К раннему открыванию тиристора приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода от Iy1 до Iy4, тем при более низком напряжении Ua тринистор перейдёт в открытое состояние. Это отражено на вольтамперной характеристике тиристора.

♦ Тиристоры изготавливают на разные мощности: маломощные (ток 50 мА. – 100 мА), средней мощности (ток до 20 ампер) и большой мощности (токи 20 – 10000 ампер) и величины напряжения от нескольких вольт до 10 тысяч вольт.

♦ По назначению и принципу действия тиристоры делятся на: запираемые, быстродействующие, импульсные, симметричные и фототиристоры. Тиристор и динистор пропускают ток только в одном направлении – от анода к катоду.

Тиристор. Эффект dU/dt:

Эффект dU/dt:

При подаче напряжения прямой полярности на анод и катод тиристора со скоростью более некоторой критической dU/dt> dUкрит/dt произойдёт открытие p-n-p-n структуры. Механизм данного эффекта обусловлен наличием паразитной ёмкости анод-управляющий электрод. Данный эффект ограничивает использование тиристоров в высокочастотных схемах, хотя иногда применяется для управления тиристором. Параметр dUкрит/dt указывается в справочниках на каждую модель тиристора.

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: