Раздел 1. Силовые полупроводниковые вентили

1. Классификация силовых полупроводниковых приборов

Основными элементами силовой электроники являются нелинейные элементы (НЭ), вольт-амперная характеристика (ВАХ) которых приближается к идеализированной ключевого элемента (рис.1). Включенное состояние соответствует высокой проводимости, выключенное - низкой. Полупроводники для силовой электроники имеют ток I_ср ≤ 10А и импульсный ток свыше 100 А.

Классификация полупроводниковых приборов осуществляется: по принципу действия, по степени управляемости, по назначению, по применению и т.д.

По принципу действия разделяют три основные вида: 1) диоды; 2) тиристоры; 3) транзисторы.

Виды подразделяются на группы, определяемые конструкцией и технологией исполнения, характером физических процессов.

Например, тиристоры запираемые, фототиристоры, симметричные и асимметричные; среди транзисторов биполярные, МОП-транзисторы и др. Внутри полупроводники каждого вида подразделяются по назначению;

низкочастотные, высокочастотные, импульсные и др. По степени управляемости: 1) не полностью управляемые, которые посредством управляющего импульса можно переводить только в проводящее состояние; 2) полностью управляемые.

1.1. Характеристики силовых диодов

Прямая ветвь (А) - характеризуется малым напряжением на переходе, а обратная (В) - малым током, называемым обратным (рис.2). Если обратное напряжение превысит определенное, то наступит пробой, характеризующийся большим обратным током.

Маркировка силовых диодов.

Пример: Д 4-161-200-5-2. Д - диод, 4 - время восстановления (группа), 161 - конструктивные признаки, 200 - нормированный ток диода, 5 - класс (обратное напряжение 500 В), 2 - группа (2), время обратного восстановления 4 мкс.(4 * 10^-6 = t_вост). В настоящее время созданы диоды с I_F>1000 А и U_F >1000В (рис. 3).

Соединение диодов. При последовательном соединении диодов (рис. 3,а) для исключения выхода их из строя принимаются следующие меры по выравниванию напряжений U_R1 , U_R2. Параллельно диодам VD1, VD2 включаются резисторы, обеспечивающие одинаковое падение напряжения на каждом из диодов (рис. 3,б).

При параллельном соединении диодов (рис. 4,а) выравниваются токи диодов I_F1 , I_F2 (рис. 4,б) с помощью индуктивных делителей.На рис. 3,4 U_R ,I_R – обратное

напряжение, ток. U_F ,I_F – прямое напряжение, ток.

Рис.3

Диоды Шотки обладают быстродействием в десятки наносекунд, при низких напряжениях десятивольтовые токи равны сотням ампер. Диоды, изготовленные по диффузорной технологии, имеют U= 800 - 1600 В.

1.2. Характеристики силовых транзисторов

Биполярные транзисторы долгое время были единственными полностью управляемыми силовыми полупроводниковыми ключевыми элементами. Основой прибора является трехслойная полупроводниковая структура. Наличие двух типов проводимостей обусловило термин "биполярный".

Значение коллекторного тока зависит от тока базы. В приборной преобразовательной технике транзисторы используются в качестве ключевых элементов, то есть работают в режиме переключения из области насыщения (включенное состояние - кривая А) в область отсечки (выключенное состояние - кривая Б) рис. 5.

Рабочая точка находится или на кривой А, или на кривой Б, соответственно ее положение определяется для А - падением напряжения на полностью открытом транзисторе и для Б - током утечки

закрытого транзистора.

Основные параметры, используемые при выборе силового транзистора:

1) максимально допустимый

импульсный ток коллектора I_K и импульсное напряжение U_кэ;

2. статический коэффициент

передачи тока; 3) максимально допустимая постоянно рассеиваемая мощность коллектора;

4) времена включения и выключения, определяющие быстродействие транзистора в ключевых режимах.

Обозначение силовых транзисторов (СТ). Силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе кремния и обозначаются ТК, далее указывается конструктивное исполнение, допустимые значения токов и напряжений, значение U_НАС.

Например: ТК 152-80-3-1. Имеет штырьковое исполнение, класс напряжения (3) - 300 В и группу по напряжению насыщения I (0,6 В).

Мощность переключения (коммутации) СТ

В ключевых элементах следует учитывать, что на интервалах переключения (коммутации) из открытого состояния в закрытое и наоборот, в структуре транзистора выделяется повышенная мощность (рис. 6). Это обусловлено конечными значениями времен спадания и нарастания тока и напряжения на транзисторе.

Зависимости, характеризующие изменение U_КЭ и I_К на интервале коммутации, называются траекториями переключения.

Для предотвращения выхода из строя СТ из-за повышенной мощности при переключениях применяют схемотехнические меры, изменяющие траектории переключения таким образом, что выделяемая при переключениях мощность уменьшается.

Кроме того, при использовании транзистора в импульсном режиме, особенно при повышенных частотах, значения коммутируемых токов и напряжений должны быть значительно меньше предельно допустимых. Обычно они соответствуют 50-60% от предельно допустимых значений (область безопасной работы).

Включение дополнительной цепи

На рис. 7 приведена схема транзистора с цепью, формирующей траекторию переключения. Конденсатор С затягивает нарастание напряжения на транзисторе, а индуктивность L ограничивает скорость нарастания тока при включении. Резисторы R₁ и R₂ поглощают энергию, накопленную в этих элементах при коммутации. Диод отделяет цепь сброса энергии индуктивности L от RC-цепи. Увеличение длительности фронтов нарастания U, I (рис. 6) при выключении и включении транзистора приводит к уменьшению мгновенных значений мощности, выделяемой при коммутации. При определенных параметрах цепи мощность может быть равна нулю, но это приводит к ухудшению частотных свойств ключевого элемента. RC-цепь усложняет ключевой элемент и приводит к рассеиванию большей активной мощности. Существуют транзисторы с коммутируемой мощностью до 100 кВт и напряжением до 1000 В. К недостаткам биполярных транзисторов можно отнести: 1) большое значение напряжения и тока управления; 2) низкое входное сопротивление.

Силовые МОП-транзисторы

Развитие новых технологий привело к созданию МОП-транзисторов (выполненных на основе метал-оксид-проводника), относящихся к полевым транзисторам (ПТ). ПТ являются униполярными приборами, так как протекание тока в них обусловлено перемещением зарядов одного знака в продольном электрическом поле. Регулирование значения выходного тока осуществляется поперечным электрическим полем (а не током, как у биполярного транзистора). Это обуславливает высокое входное сопротивление (рис. 8,а).

Статические характеристики МОП-транзистора с каналом п-типа:

а) входная характеристика (рис. 8,б);

б) выходная характеристика (подобны характеристикам пентода, рис. 9).

При подаче напряжения U_ЗИ через проводящий слой

будет протекать ток,

если приложить U_CИ. Увеличение U_СИ

приводит к перекрытию проводящего канала.

Особенности МОП-транзисторов:

1) Высокое входное сопротивление (что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления)

2) Время переключения - единицы наносекунд (исключая токи накопления зарядов неосновных носителей).

3) Лучшие выходные характеристики для обеспечения параллельной работы.

4) Большая входная емкость и повышенное сопротивление в проводящем состоянии.

5) Повышенные коммутационные токи - десятки ампер и напряжение до 500 В при сопротивлении перехода СИ во включенном состоянии 0,2 -0,5Ом.

Пример: I_C=200А, R_ИС =0,024 Ом.