Силовые полупроводниковые приборы Общие сведения 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. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше 6 к. В. на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управления силовыми ключами. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристорыи симисторы. К последним достижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статической индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А при напряжении до 2000 В. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления.
Глава 5 Тиристоры от греч. thyra - дверь) это полупроводниковые приборы с тремя и ( олее р-п-переходами. Они предназначены, для коммутации больших по величине токов при равнительно невысоком быстродействие. В зависимости от вида ВАХ и способа управления тиристоры делят на диодные неуправляемые) и триодные (управляемые). Диодные тиристоры имеют два выводы – анод и катод. В зависимости от способа включения ли выключения тока, они бывают: запираемые в обратном направлении (1), проводящие в братном направлении (2) и симметричные (3). Последние представляют собой встречнооследовательное соединение тиристоров запираемых в обратном направлении. Они способны ропускать ток как в прямом, а также в обратном направлении. Они имеют два вывода, оторые называются: анод 1, и анод 2. Триодные тиристоры называют просто – тиристорами. Они имеют три вывода. Появляется ретий управляющий электрод (УЭ). Напряжение, подаваемое на него, позволяет управлять ключением (выключением) тиристора. Триодные тиристоры подразделяют на: запираемые в братном направлении с управлением по аноду (4) и по катоду (5); проводящие в обратном аправлении с управлением по аноду (6) и по катоду (7); симметричные (двунаправленные). а) диодный тиристор (динистор); б) диодный симметричный тиристор; в) триодный незапираемый тиристор с управлением по аноду; г) триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду; д) запираемый тринистор с управлением по аноду; е) запираемый тринистор с управлением по катоду; ж) триодный симметричный незапираемый тиристор с управлением по аноду
Структура динистора, ВАХ и принцип работы Простейший диодный тиристор имеет четырехслойную р-п-структуру (рис. ), изготовленную из кремния. Область р1, на которую подают положительное напряжение от источника напряжения Еа называется – анодом, область п 2 – катодом, а области п 1 и р2 – базами. Между р и п областями возникают три р-ппереходы П 1, П 2, П 3. Переходы П 1 и П 3 называются эмиттерными, переход П 2 – коллекторным т. к. он смещен в обратном направлении. Аналогом тиристора может служить схема из двух биполярных транзисторов VT 1 – р-п-р-типа и VT 2 - п-р-п-типа. Вольт-амперная характеристика динистора приведен на рис. . На ней можно выделить четыре участка. Участок – 1. Тиристор выключен. На аноде положительное напряжение. Переходы П 1 и П 3 смещены в прямом направлении, а переход П 2 – в обратном. Все внешнее напряжение будет приложено к КП. Ток коллекторного перехода Iкп – это малый по величине ток неосновных носителей заряда. Он является суммой токов, вызванных инжекцией через эмиттерные переходы П 1 и П 3, и небольшого собственной обратного тока перехода П 2: Iкп= 1 Iэ1+ 2 Iэ2 +Iко, где 1 и 2 – коэффициенты инжекции тока эмиттерных переходов П 1 и П 3. Очевидно, что Iкп=Iэ1=Iэ2= Iа т. к. это элементы одной злектрической ветви, а потому Iа=I/ко (1 -( 1+ 2)) Пока напряжение между анодом и катодом относительно мало 1 + 2 1, Iкп= Iк 0, сопротивление прибора велико (до сотен килоом). Так коэффициенты передачи тока эмиттерных переходов П 1 и П 3 ( 1 и 2) с увеличением Uак растут. Следовательно, растет и ток Iа.
• Участок 2. Лавинообразное отрирание тиристора. При определенном значении напряжения Uак, называемом напряжением включения Uвкл, 1 + 2 =1, а ток в соответствии с (6. 4) должен • стремиться к бесконечности. Начинается лавинообразное увеличение токов. Транзисторы переходят в режим полного насыщения. Ток в цепи анода ограничен резистором Rа на уровне Еа/Rа. • Участок 3, соответствует ВАХ диода в отрытом состоянии. Это проводящее состояние динистора. Через динистор протекает ток насыщения Iа нас Еа /R. • Участок 4. Переходы П 1 и П 3 смещены в обратном направлении. Ток динистора мал. Это запертое т. е. непроводящее ток, состояние динистора. При достаточно больших обратных напряжениях, обратный ток динистора резко возрастает – это тепловой пробой. • В основном за процесс включения динистора отвечает переход П 3 и процессы в области р2. Обычно выполняется условие 2 1. Это достигается конструкцией – Wn 1 Wp 2, где Wn 1 Wp 2 – толщина базы n 1 и p 2. • • Итак динистор работает так: 1. условие включения динистора: Uак Uвкл, 2. условие выключения динистора: Iа Iуд. Тиристор запираемый
Управление включением и выключением динистора
Тиристоры Тиристор имеет дополнительный – управляющий электрод. Если, используя управляющий электрод, с помощью внешнего источника напряжения или тока в цепи эмиттерного перехода П 3 обеспечить протекание тока, то это вызовет увеличение 2 и сумма 1 + 2 приблизится к единице при меньшем напряжении Uак, чем при отсутствии тока в цепи управляющего электрода. Следовательно, изменяя ток управляющего электрода, Iуэ можноа изменять Uвкл. После открывания тиристора ток Iуэ может быть уменьшен до нуля, но прибор останется во включенном состоянии. Чтобы выключить прибор, надо прервать или значительно уменьшить на определенное время проходящий через, него ток – условие выключения тиристора Iа Iуд. Итак, условие включения тиристора: Uак> Uвкл, или Iуэ. спр. Условие выключения: Iа Iуд.
Симисторы • Структура симметричного тиристора приведена на рис. 6. 8 а, а его схематическое обозначение на рис. 6. 8 б. • Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом провоиостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. • Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 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. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например, симистор КУ 208 Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400 В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0, 2 А, а время включения — не более 10 мкс
Параметры тиристоров. Тиристоры принято характеризовать: 1. напряжением и током включения; 2. максимально допустимым током в открытом состоянии; 3. максимально допустимое обратное напряжение; 4. падением напряжения на приборе при максимально допустимом прямом токе; 5. током выключения или его называют током удержания (током, ниже которого прибор переходит в закрытое состояние), 6. минимальной длительностью включающего импульса. Все эти параметры и ряд дополнительных данных об условиях эксплуатация тиристоров приводится в соответствующих справочниках.
Структура тиристора, ВАХ и принцип работы Простейший диодный тиристор имеет четырехслойную р-n-структуру (рис. А б), изготовленную из кремния. Область р1 называется – анодом, область n 2 – катодом, а области n 1 и р2 – базами. Между р и n областями возникают р-п-переходы П 1, П 2, П 3. Переходы П 1 и П 3 называются эмиттерными, переход П 2 – коллекторным т. к. он смещен в обратном направлении. Аналогом тиристора может служить схема (рис. А а) из двух биполярных транзисторов VT 1 – р-п-р-типа и VT 2 - п-р-п-типа. Вольт-амперная характеристика динистора приведен на рис. Ав. На ней можно выделить четыре участка. Участок – 1. На аноде положительное напряжение. Переходы П 1 и П 3 смещены в прямом направлении, а переход П 2 – в обратном. Все внешнее напряжение будет приложено к КП. Ток коллекторного перехода Iкп – это малый по величине ток неосновных носителей заряда. Он является суммой токов, вызванных инжекцией через эмиттерные переходы П 1 и П 3, и небольшого собственной обратного тока перехода П 2: Iкп=α Iэ1+α 2 Iэ2+ Iк 0, 1 где 1 и 2 – коэффициенты инжекции тока эмиттерных переходов П 1 и П 3. Очевидно, что Iкп=Iэ1=Iэ2= элементы одной злектрической ветви, а потому Iа=Iк 0 / [1 -(α 1+α 2)], Iа т. к. это Пока напряжение между анодом и катодом относительно мало 1 + 2 1, Iкп= Iк 0, сопротивление прибора велико (до сотен килоом). Так коэффициенты передачи тока эмиттерных переходов П 1 и П 3 ( 1 и 2) с увеличением Uак растут. Следовательно, растет и ток Iа.
Участок 2. При определенном значении напряжения Uак, называемом напряжением включения Uвкл, когда 1 + 2 =1, ток в соответствии с (6. 4) должен • стремиться к бесконечности. Начинается лавинообразное увеличение токов. Транзисторы переходят в режим насыщения. Сопротивление прибора при этом падает до единиц ом. Но наличие в цепи анода резистора с сопротивлением Rа- ограничивает ток на уровни Еа/Rа. . Участок 3, соответствует ВАХ диода в отрытом состоянии. Это проводящее состояние динистора: Iа нас=Еа/ а. R Участок 4. Переходы П 1 и П 3 смещены в обратном направлении. Ток динистора мал. Это запертое т. е. непроводящее ток, состояние динистора. При достаточно больших обратных напряжениях, обратный ток динистора резко возрастает – это тепловой пробой. В основном за процесс включения динистора отвечает переход П 3 и процессы в области р2. Обычно выполняется условие 2 1. Это достигается конструкцией – Wn 1 Wp 2, где Wn 1 Wp 2 – толщина базы n 1 и p 2. Тиристор имеет дополнительный – управляющий электрод. Если в цепи управляющего электрода, от внешнего источника напряжения или тока создать ток, ток в цепи эмиттерного перехода П 3, то это вызовет увеличение 2 и сумма 1 + 2 приблизится к единице при меньшем напряжении Uак, чем при отсутствии тока в цепи управляющего электрода. Следовательно, изменяя ток управляющего электрода, Iуэ можно управлять величиной Uвкл. После открывания тиристора ток Iуэ может быть уменьшен до нуля, но прибор останется во включенном состоянии. Чтобы выключить прибор, надо прервать или значительно уменьшить на определенное время проходящий через него ток – условие выключения тиристора Iа Iуд. В настоящее время широко применяются тристоры с пятислойной структурой (симисторов). Их ВАХ одинакова в 1 -м и 3 -м квадрантах, а управление включением обеспечивается одним управляющим электродом. Параметры тиристоров. Тиристоры принято характеризовать напряжением и током включения; максимально допустимым обратным напряжением, максимально допустимым током в открытом состоянии, падением напряжения на приборе при максимально допустимом прямом токе; током выключения или его называют током удержания (током, ниже которого прибор переходит в закрытое состояние), минимальной длительностью включающего импульса: Все эти параметры и ряд дополнительных данных об условиях эксплуатация тиристоров приводится в соответствующих справочниках.
БТИЗ – биполярный транзистор с изолированным затвором
Структура и схема БТИЗ сочетает достоинства двух основных видов транзисторов: высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от МДП полевых транзисторов с изолированным затвором низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии — от БТ. малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях; характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора; управление как у МОП — напряжением. Диапазон использования — от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 к. В по напряжению. В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.
. Конструкции IGBT: дискретное (а) и модульное (б) исполнение; условное графическое обозначение: в – отечественное; г – зарубежное
Скачать презентацию Силовые полупроводниковые приборы Общие сведения К силовым
5. Лек.7 Сил. пп 2014.ppt