12. Типы, характеристики и область применения силовых полупроводниковых ключей в электроэнергетике.
Диод:
Диод — полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электрической проводимости: электронной — n-типа и дырочной — р-типа. На границе этих областей возникает электронно-дырочный переход, физические явления в котором позволяют изменять проводимость диода, придавая ему свойства электронного ключа с односторонней проводимостью и неполной управляемостью.
А)Диоды общего назначения. Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (до 10 кВ) и прямого тока (до 10 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления (выключения) диодов обычно находится в диапазоне 25—100 мкс, что ограничивает область их применения использованием в цепях с частотой не выше 500 Гц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц.
Б) Быстровосстанавливающиеся диоды. При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время их обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3—5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Допустимые значения тока составляют от 10 А до 1 кА, обратного напряжения — от 50 В до 3 кВ. Такие диоды можно использовать в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и более.
В) Диоды Шоттки. Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремния n-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника — положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей — электронов. Диоды Шоттки, таким образом, являются униполярными приборами с одним типом основных носителей. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения примерно 0,3 В В, поэтому диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.
ТРАНЗИСТОРЫ
Силовые транзисторы. Транзистором называют электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение ме жду силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении, и большинство их видов не выдерживают обратного напряжения.
А)Биполярные транзисторы.
Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы n-p-n- и p-n-p-типов (рис. 6.5). Среди силовых транзисторов большее распространение получил n-p-n-тип. Средний слой структуры называют базой В. Внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители, называется эмиттером Е, собирающий носители — коллектором С. Каждый из слоев имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.
И
з
принципа действия биполярных транзисторов
следует, что токи эмиттера и коллектора
зависят от значения тока базы, который
в схемах электронных ключей является
током управления. Следовательно,
биполярные транзисторы могут
рассматриваться как электронные ключи,
которые управляются током. Биполярные
транзисторы с током 50 А и более обычно
рассчитаны на напряжение менее 600 В и
частоту коммутации до 20 кГц. Применение
силовых электронных ключей на основе
биполярных транзисторов связано с
необходимостью больших затрат мощности
на их управление и, кроме того, ограничено
относительно низкой рабочей
частотой.
б)Полевые
транзисторы (МОП-транзисторы).
Принцип действия этих транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика обычно используются оксиды, например диоксид кремния SiO2. Различают два типа МОП-транзисторов: с индуцированным каналом и встроенным каналом. Оба типа имеют выводы из структуры транзисторов: сток D, исток S, затвор G, а также вывод от подложки В, соединяемой обычно с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала различают также транзисторы с n- и p-типами каналов. На рис. 6.6 изображены структуры и символы МОП-транзисторов с каналами n-типа. Для понижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содержанием носителей. Такие слои обозначают дополнительным верхним индексом, например n+-типа. В МОП-транзисторах с индуцированным каналом последний образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на управляющий затвор относительно объединенных выводов истока и подложки, т.е. они работают в режиме обогащения носителями зарядов, что позволяет управлять током стока.
В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток — исток протекает и при отсутствии напряжения на затворе. Для управления этим током на затвор может подаваться напряжение как больше нуля для обогащения канала, так и меньше нуля для его обеднения носителями. Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП-транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие. Поэтому МОП-транзисторы называются также униполярными транзисторами. Допустимые значения коммутируемых токов МОП-транзисторов сильно зависят от напряжения. Например, при токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В, сопротивление проводящего канала примерно 0,5 Ом, частота коммутации обычно не превышает 100 кГц. В)Биполярные транзисторы с изолированным затвором (МОПБТ). Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию МОПБТ-транзисторов. Выполненный в одном кристалле, он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых транзисторов.
На рис. 6.7 представлены структура, эквивалентная схема и символ МОПБТ с каналом n-типа. Эта структура во многом подобна структуре МОП-транзистора. Принципиальная разница заключается в наличии нижнего слоя с проводимостью р+-типа, который придает МОПБТ свойства биполярного транзистора.
При отсутствии напряжения на затворе транзистор закрыт. Включение транзистора с каналом n-типа осуществляется подачей положительного напряжения на затвор относительно истока (эмиттера). Коммутируемые токи современных силовых МОПБТ (в модульном исполнении) достигают 1,2 кА при напряжении 3,5 кВ, а частота в зависимости от нагрузки находится в диапазоне 10—100 кГц. Тиристоры.
Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более p-n-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Обычный тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т.е. включаться. Для его выключения необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля. Учитывая неполную управляемость тиристора, различают два способа его выключения: естественный и принудительный (искусственный). Первый способ используется для выключения тиристора в цепи переменного тока при изменении полярности последнего. Второй основан на подключении к выключаемому тиристору источника энергии, способного развить ток, направленный встречно прямому току выключаемого тиристора, обеспечив спадание последнего до нуля, т.е. выключение тиристора. Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 10 кВ и токами до 10 кА. В то же время частота наиболее мощных приборов обычно не превышает 1 кГц. Конструктивные исполнения тиристоров и силовых диодов во многом сходны.
Существует большое разнообразие типов тиристоров, весьма различных по своим характеристикам и функциональным возможностям (рис. 6.10). Среди них следует выделить: 1. запираемые тиристоры;
быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс);
объединенные конструктивно пары встречно-включенных тиристоров (симисторы, или триаки);
асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен со встречно-включенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока;
оптотиристоры, управляемые световым потоком;
диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения.
Все они имеют свои области рационального применения. Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает эффективность их применения. Для устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые по управляющему электроду. Среди них в настоящее время чаще всего выделяют три типа запираемых тиристоров: А) запираемый тиристор (англ. GTO — Gate Turn-Off Thyristor), переключаемый в открытое состояние и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;