Класифікація силових напівпровідникових перетворювачів по керованості й особливості їх роботи.
Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Класифікація силових напівпровідникових перетворювачів по керованості й особливості їх роботи.



Вентилі з неповним керуванням характеризуються тим, що перехід їх зі стану «виключене» у стан «включене» можливий шляхом хоча б короткочасного впливу малопотужним сигналом по ланцюгу керування за умови наявності на вентилі прямого напря-

жения, тобто напруги такої полярності, при якій вентиль може пропускати струм через себе. Перехід же вентиля зі стану «включене» у стан «виключене», тобто запирання вентиля й припинення протікання прямого струму через нього, можливо тільки при зміні полярності напруги на вентилі (зворотна напруга) по силовому ланцюгу, а не в результаті впливу по ланцюгу керування. Таким чином, неповна керованість означає, що вентиль можна включити впливом по ланцюгу керування, але неможливо виключити впливом по керуванню, а потрібно перемінити полярність напруги на вентилі на зворотну.

Вентилі з повним керуванням характеризуються тим, що як включення, так і вимикання (запирання) їх можливе шляхом впливу малопотужними сигналами по ланцюгу керування при наявності на вентилі прямої напруги.

Головними представниками неповністю керованих вентилів є тиристори – чотиришарові p-n-p-n – напівпровідникові прилади з анодом А (крайня p-область), катодом ДО (крайня n-область) і керуючим електродом УЭ (внутрішня область) і симисторы – п'ятишарові p-n-p-n-p – напівпровідникові прилади, які можна представити у вигляді комбінації двох паралельно включених чотиришарові (тиристорних) p-n-p-n –

структур. На мал. 1.3.1 наведені схемне позначення тиристора і його вольт-амперна характеристика. На мал. 1.3.2 показані схемне позначення симистора (симетричного тиристора, триака) і його вольт-амперна характеристика.

 

 

 

Основними параметрами тиристорів, що визначають можливості їх використання в різних конкретних схемах перетворювачів, є наступні:

• середнє значення анодного струму тиристора Ia, по якому він маркірується заводом-виготовлювачем виходячи з рівня припустимих втрат активної потужності (виділення тепла) у вентилі при проходженні прямого струму. Іспитовий струм вентилів при їхнім виробництві має вигляд півхвилі синусоїди в кожному періоді сіткової напруги (50 Гц). При цьому коефіцієнт амплітуди такого струму Ка = π (відношення амплітуди струму до середнього значення), коефіцієнт форми Кф = π/2 (відношення діючого значення струму до середнього).

Тиристори випускаються на середній струм від 1 А до декількох тисяч амперів;

• струм утримання Iуд, мінімальне значення прямого струму тиристора у випадку відсутності керування, коли тиристор ще залишається провідним. При зниженні анодного струму нижче цього значення тиристор переходить у закритий стан;

• максимально припустима пряма й зворотна напруги Umax на вентилі, яке він повинен витримувати без пробою. Маркірується у вигляді класу вентиля по напрузі (бувають вентилі від 1 до 50 класів), множення якого на 100 визначає максимально допустиме напруження;

• час відновлення керуючих властивостей тиристора tв, яке визначається як мінімально необхідна тривалість додатка до вентиля зворотної напруги ( при його вимиканні) після проходження прямого струму, протягом якого він відновлює свої замикаючі властивості й до нього знову можна прикласти максимальна пряма напруга. Сучасні тиристори мають часи відновлення приблизно від десяти мікросекунд ( для високо-частотних тиристорів) до двохсот мікросекунд ( для низькочастотних тиристорів);

• заряд відновлення тиристора Qв, повний заряд (накопичений у вентилі при проходженні прямого струму), що випливає з вентиля при переході його зі стану провідності прямого струму в стан появи на вентилі зворотної напруги;

• амплітуда зворотного струму вентиля Ibmax, обумовленого виводом заряду відновлення Qв з вентиля в момент спаду до нуля прямого струму вентиля ( при вимиканні) з певною швидкістю di/dt:

• гранична швидкість наростання прямої напруги на вентилі, при перевищенні якої можливе включення тиристора в прямому напрямку навіть при відсутності керування через появу сигналу-перешкоди в ланцюзі його керуючого електрода, «, що просочується» через паразитну ємність між ним і анодом тиристора. Звичайно ця швидкість обмежена від ста до тисячі вольтів у мікросекунду для різних типів тиристорів;

• гранична швидкість наростання прямого струму тиристора при його включенні, пов'язана з неоднорідним розподілом струму по площі p-n переходу тиристора, що може привести до локального ушкодження (пропалюванню) p-n переходу. Звичайно ця величина обмежується виготовлювачем на рівні від декількох десятків до декількох сотень амперів у мікросекунду;

• гранична частота імпульсів прямого струму вентиля, до якої вентиль може працювати без зниження припустимого середнього значення анодного струму. Для низькочастотних тиристорів і діодів ця величина рівна 400 Гц, для високочастотних – до 10…20 кГц;

• час включення tвкл і час вимикання tвыкл напівпровідникового вентиля характеризують відповідно час переходу вентиля

з виключеного стану у включене й із включеного стану у виключене;

• параметри сигналу керування в ланцюзі керуючого електрода тиристора, що забезпечують його надійне включення: напруга керування Uуэ (трохи вольт), струм керування Iуэ (частки ампера), швидкість наростання струму керування diуэ/dt (1-2 А/мксек), мінімальна тривалість імпульсу керування (20…100 мксек). При цьому потужність сигналу керування в тисячі раз менше потужності, що перемикається тиристором в анодному ланцюзі;

• напруга відсічення спрямленной вольт-амперної характеристики вентиля в прямому напрямку ∆U0 і його динамічний опір Rдин. На мал. 1.3.3 показані реальна нелінійна й кусочно-лінійна модельна (спрощена) вольт-амперні характеристики вентиля в пручи-

мом напрямку. Значення напруги відсічення для кремнієвих вентилів рівно близько 1 В, значення динамічного опору назад пропорційно номи-

нальному середньому значенню анодного струму вентиля Iа й міняється в діапазоні від часток ома для малопотужних тиристорів до тисячних часток ома для потужних тири-

сторов, маючи порядок 1/Iа [Ом]. Ці параметри визначають втрати активної потужності у вентилі при проходженні прямого струму, що викликає розігрів напівпровідникової структури;

• тепловий опір вентиля характеризує його здатність

відводити тепло від місця його виділення, тобто p-n переходу, і визначається як відношення перепаду температури між двома середовищами ∆т на одиницю потужності, що розсіюється у вентилі, ∆рв [гради/Вт]. Значимі насамперед три теплові опори вентиля: p-n перехід – корпус вентиля Rnк, p-n перехід – охолоджувач Rnо, p-n перехід – навколишнє середовище Rnc. Різним способам охолодження вентиля відповідають різні теплові опори, через які визначається гранична потужність втрат у вентилі (граничне середнє значення анодного струму вентиля), виходячи з максимально припустимої температури p-n переходу ( для кремнієвих діодів – 150 *З, для кремнієвих тиристорів – 110…120*З);

• захисний показник є значення тимчасового інтеграла від квадрата ударного прямого струму, що з'являється при аварії, при перевищенні якого вентиль руйнується. Відповідно до цього показника, чим більше значення аварійного прямого струму через вентиль, тем менше повинна бути його тривалість.

 

Вентилі з повним керуванням

Вентилі з повним керуванням характеризуються тим, що їх можна відімкнути й замкнути при наявності на них прямої напруги впливом тільки по ланцюгу керування.

Основними представниками вентилів з повним керуванням є, що защіпаються (двоопераційні) тиристори ЗТ (у закордонному позначенні GTO – Gate Turn Off) і силові транзистори (біполярні, польові й комбіновані, так звані біполярні тран-зисторы з ізольованим затвором, позначувані IGBT – Isolated Gate Bipolar Transistor).

тиристори, що защіпаються

Що защіпаються (двоопераційні) тиристори відрізняються від звичайних (одноопераційних) тиристорів тим, що їх можна замкнути подачею короткого, але потужного імпульсу струму зворотної полярності, у ланцюг керуючого електрода тиристора. Більша величина цього

імпульсу струму визначається тим, що коефіцієнт підсилення по струму при запиранні тиристора невисокий, звичайно не більш 4-5. Тому для тиристора, що защіпається, важливо не середнє значення прямого струму, а його максимальне (миттєве) значення, по якому й маркіруються

тиристори, що защіпаються. Досягнуті граничні параметри тиристорів, що защіпаються, за рубежем: по прямому струму до 2,5 ка, на напрузі – до 4 кВ, по частоті перемикання – до 1 кГц, за коефіцієнтом посилення по струму вимикання – до 3-5. Умовна позначка Gto-Тиристора показано на мал. 1.3.4, а.

В останні роки Gto-Тиристори були модифіковані й створений новий тип приладу – тиристор, що комутирується по керуючому електроду (GCT - Gate Commutated Thyristor або IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). У них за рахунок того, що весь струм включення/вимикання комутирується через керуючий електрод, майже

 

на порядок скорочуються часи комутації, а виходить, і комутаційні втрати. Це дозволило сьогодні вже створити IGCT на 3 ка, 3,5 кВ. При цьому для цього тиристора на відміну від Gto-Тиристора, не потрібно застосування снабберов – спеціальних зовнішніх ланцюгів, фор-мирующих траєкторію робочої крапки при вимиканні тиристора. У найпростішому випадку це конденсатор, що обмежує швидкість наростання прямої напруги на тиристорі при його вимиканні. Послідовно з конденсатором включається невеликий активний опір для обмеження струму конденсатора. Умовна позначка Igct-Тиристора показано на мал.1.3.4, б. Тривають також розробки тиристорів, що защіпаються, з польовим керуванням ( без споживання струму) - МСТ (MOS Controlled Thyristor), які у зв'язку із простотою керування потіснять Gto-Ти- ристоры за умови порівнянності їх граничних електричних параметрів.

Транзистори

Принциповою відмінністю транзисторів від, що защіпаються й звичайних тиристорів, що включаються, що й вимикаються короткими імпульсами керування, є те, що в них необхідна наявність сигналу керування на увесь час проходження через транзистор прямого струму. Граничні електричні параметри транзистора, що визначають можливості його застосування в пристроях силової електроніки, залежать від типу транзистора.

Біполярні транзистори (BPT).

Ці транзистори являють собою тришарові напівпровідникові структури p-n-p і n-p-n типів, у яких є два p-n переходу: база – эмиттер і база – колектор.

Біполярний транзистор дозволяє за рахунок зміни струму бази p-n переходу база – эмиттер, зміщеного в прямому напрямку, управляти в десятки раз більшим струмом, що течуть через вихідний перехід база – колектор, зміщений у зворотному напрямку. Тому що зворотна напруга на колекторному (вихідному) переході може бути також у десятки раз більше прямої напруги на вхідному переході база – эмиттер, те виходить і велике посилення в транзисторі по напрузі, а виходить, дуже велике (у сотні й тисячі раз) посилення по потужності.

Ця можливість транзистора при роботі в ключовому ( як тиристор) режимі дозволяє використовувати його в пристроях силової електроніки для керування потоками енергії з метою їх перетворення. Ключовий режим роботи транзистора забезпечується відповідним керуванням. У закритому стані транзистора струм бази робиться рівним нулю (крапка А на вихідних характеристиках), тобто ключ розімкнуть; при цьому зневажаємо малим некерованим струмом колектора на нижній ВАХ. У відкритому стані транзистора струм бази встановлюється не менше такого рівня , щоб робоча крапка транзистора із заданим зовнішнім ланцюгом величиною струму навантаження iн була в положенні Б, що відповідає найменшій можливій напрузі на транзисторі при цьому струмі, для зменшення втрат потужності в транзисторі.

Промисловість випускає силові біполярні транзистори на струми до сотень амперів з напругою в сотні вольтів і з максимальними частотами перемикання при цьому до одиниць кілогерців. Основні недоліки біполярних транзисторів пов'язані з помітними витратами потужності на керування (керування струмом по базі) і з недостатньою швидкодією, що визначають швидкість переходу робочої крапки транзистора з положення А в положення Б и назад.

Польові транзистори. На відміну від біполярних транзисторів, що працюють із двома типами носіїв струму – електронами й дірками, польові транзистори використовують один (уніполярний) тип носіїв струму. Провідність каналу між джерелом і стоком (певні аналоги эмиттера й колектора біполярного транзистора) модулюється за допомогою електричного поля, що прикладається з каналу в поперечному напрямку за допомогою третього електрода – затвора (керуючого електрода). Канал може бути двох типів: n-типу або тип-p-типу.

Тепер уже керуючим параметром для вихідних характеристик є напруга на затворі (на вході транзистора), а не струм входу, як у біполярних транзисторів. Вхідний ланцюг польового транзистора дуже высокоомная й практично не споживає струм, тобто керування польовим транзистором відбувається без витрати потужності. У польового транзистора з каналом р-типу аналогічні властивості й характеристики, тільки в останніх необхідно змінити полярності напруг на стоці й затворі (щодо джерела) на зворотні.

Другий різновид польових транзисторів – транзистори з ізольованим затвором. У цих транзисторах затвор відділений від каналу тонкою діелектричною плівкою й тому у вхідному ланцюзі транзистора струму немає навіть теоретично. Крім того, таке відділення затвора від каналу дозволяє виконувати канал у двох варіантах: у вигляді вбудованого (конструктивного) або у вигляді індукованого (наведеного при протіканні струму) каналу р-типу або n-типу.

У польового транзистора з каналом р-типу аналогічні властивості й характеристики,

тільки в останніх необхідно змінити полярності напруг на стоці й затворі (щодо джерела) на зворотні. Другий різновид польових транзисторів – транзистори з ізольованим затвором. У цих транзисторах затвор відділений від каналу тонкою діелектричною плівкою й тому у вхідному ланцюзі транзистора струму немає навіть теоретично. Крім того, таке відділення затвора від каналу дозволяє виконувати канал у двох варіантах: у вигляді вбудованого (конструктивного) або у вигляді індукованого (наведеного при протіканні струму) каналу р-типу або n-типу.

Основні гідності польових транзисторів – відсутність витрат потужності на керування й висока швидкодія в результаті переносу струму в них носіями одного знака (основними носіями), в

відмінність від біполярних транзисторів, де струм у середній частині приладу (базі) в основному переноситься повільними неосновними носіями. Але за граничними значенням вихідної напруги й струму польові транзистори помітно уступають біполярним, що визначає нішу їх використання в низьковольтних пристроях силової електроніки з високими частотами процесів перетворення електричної енергії.

Комбіновані транзистори. В останні роки з'явився комбінований прилад, що поєднує конструктивно польовий транзистор з ізольованим затвором (на вході) і біполярний транзистор (на виході) і названий біполярним транзистором з ізольованим

затвором (БТИЗ) або транзистором IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). Він має високий вхідний опір і не вимагає потужності на керування, як польовий транзистор. Параметри вихідної напруги й струму в нього такі ж, як у біполярного транзистора, тобто значно вище, чим у польового. У цей час за рубежем випускаються Igbt-Транзистори

четвертого покоління з вихідними струмами до 1200 А и напругою

до 3500 В. Особливістю всіх типів транзисторів у порівнянні з іншим їх «конкурентом» серед вентилів з повним керуванням – GTO тиристором є те, що транзисторам необхідний на вході сигнал керування на увесь час протікання струму у вихідному ланцюзі приладу.

Причому деякі типи транзисторів, вимагають наявності в ланцюзі керування ще й джерела постійної напруги для забезпечення запирання транзистора в крапках А відповідної (нижньої) вольт-амперної характеристики. Для Gto-Тиристорів необхідні імпульси керування протилежної полярності в моменти відмикання й запирання приладу.