|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы тиристоры, фототиристоры, симметричные и асимметричные тиристоры и др., а среди транзисторов - биполярные, МОП-транзисторы и др. Внутри каждой группы приборы могут классифицироваться по назначению (низкочастотные, высокочастотные, импульсные и. др.). В силовой электронике иногда классификацию производят по степени управляемости прибора, что удобно для выбора рациональных схем на основе того или иного прибора. Под признаком управляемости в таких случаях подразумевают возможность переводить прибор из проводящего состояния в> непроводящее и обратно посредством воздействия на него маломощным управляющим сигналом. По степени управляемости силовые управляемые приборы разделяют на следующие группы: 1) не подностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего импульса переводить только в проводящее состояние, но не наоборот, например широко распространенные тиристоры; 2) полностью управляемые приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего импульса (транзисторы или запираемые тиристоры). Силовые приборы разделяют также внутри отдельных групп по основным параметрам, например по напряжению или току, а также по другим характерным признакам. 1.1.1. силовые диоды « принцип действия полупроводникового диода основан на использовании свойств р-п электронно-дырочного перехода, возникающего в полупроводниковой пластине между двумя слоями с различными типами электрической проводимости. На рис. 1.2 изображена вольт-амперная характеристика р-п перехода. В ней можно выделить две ветви: прямую {А) я обратную {Б). Прямая ветвь характеризуется малыми значениями прямого напряжения на р-п переходе, а обратная- малыми значениями тока (называемого обратным), обусловленного неосновными носителями заряда. Однако если обратное напряжение, приложенное к р-п переходу, превысит определенное значение, то возникнет электрический пробой р-п перехода, характеризу-Рис. 1.2. Вольт-амперная харак- jgcH резким возрастанием об- теристика полупроводникового "-"Л""- к ,Ло„.,п«-,-«пьил», диода ратного тоКа при незначительном  изменении обратного напряжения. В силовых диодах пробой обычно обусловлен ударной ионизацией атомов кристалла свободными носителями заряда и называется лавинным. Возникновение лавинного пробоя приводит к выходу диода из строя (из-за резкого повышения выделяемой при этом мощности), если при его изготовлении не предусмотрены специальные технологические мероприятия, которые позволяют ограничить выделяемую мощность при протекании обратного тока. Диоды, рассчитанные на работу в условиях кратковременных обратных перенапряжений с наступлением лавинного пробоя, называются лавинными или с лавинной характеристикой. Такие диоды используются также в качестве стабилитронов, т. е. приборов, на которых при пробое сохраняется практически постоянное напряжение, несмотря на резкое возрастание обратного тока. При приложении прямого напряжения вольт-амперная характеристика лавинного диода такая же, как и у обычного диода (ветвь А на рис. 1.2). Основными параметрами, характеризующими возможности диодов, являются предельно допустимые значения повторяющегося импульсного обратного напряжения и максимального среднего прямого тока (усредненного по всему периоду для периодических токов). Кроме предельных параметров, важными параметрами являются: прямое напряжение (напряжение на выводах диода, обус- ловленное прямым током); обратный ток (ток через диод при приложении обратного напряжения); время* обратного восстановления (параметр, характеризующий время восстановления блокирующих свойств диода). Указанные параметры обычно приводятся в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах -в технических условиях на прибор. При выборе диода по условиям предельно допустимого тока следует учитывать .эффективность охладителя, совместно с которым используется диод. - Иначе говоря, предельное значение тока рассчитывается из условий охлаждения прибора для каждого конкретного типа охладителя. Силовые диоды имеют различное конструктивное исполнение (штыревое, таблеточное и др.), которое в свою очередь определяет конструкцию охладителя. Согласно [1], основные сведешя о конструктивном исполнении и параметрах диода содержатся в его обозначении. Так, например, в условном обозначении диода Д161-200- 5-1,25-1,35 буква Д соответствует виду прибора (если диод имеет лавинную вольт-амперную характеристику в зоне обратного напряжения, то к букве Д добавляется буква Л, а цифры 161 указывают на определенные конструктивные признаки. Остальные цифровые обозначения указывают на то, что максимально допустимый средний прямой ток 200 А, повторяющееся импульсное обратное напряжение 500 В (5-й класс прибора по напряжению), пределы изменения импульсного прямого напряжения от 1,25 В до 1,35 В. Информация о значениях прямого напряжения является важной для /ДИОдов, предназначенных для параллельной работы. Для диодов с нормируемым значерием времени обратного восстановления (быст-ровосстанавливающихся) в обозначение добавляется цифра 4 и указывается группа, соответствующая конкретному значению времени восстановления. Например, обозначение Д4-161-200-5-2, в отличие от Д-161-200-5, свидетельствует о том, что диод нормирован не только по току (200 А) и классу обратного напряжения (500 В), но и имеет гарантированное значение времени обратного восстановления не менее 4 мкс, что соответствует группе 2 [1]. В настоящее время созданы силовые диоды на токи свыше 1000 А и напряжения свыше 1000 В. При последовательнбм и параллельном соединениях диодов из-за несовпадения их вольт-амперных характеристик возникают неравномерные распределения напряжений или токов между отдельными диодами. На рис. 1.3 представлены схемы: последовательного (рис. 1.3, а) и параллельного (рис. 1.3,6) соединения двух диодов. Там же представлены прямые (рис. 1.3,г) и обратные (рис. 1.3,в) ветви вольт-амперных характеристик соединяемых диодов. Согласно приведенным вольт-амперным характеристикам при последовательном соединении диодов, приложенное к ним обратное напряжение при одинаковых обратных токах распределяется между диодами неравномерно: к диоду VDj прикладывается напряжение Ощ, а к диоду VD2 - напряжение (рис. 1.3, в). При параллельном со- единении диодов протекающий через них общий ток 1р при одинаковых прямых падениях напряжения Up распределяется также неравномерно: через диод VD протекает ток Ipi, а через диод VD2 ток 1р2 (рис. 1.3,г). Для исключения выхода из строя диодов из-за перегрузки по току или перенапряжений принимают специальные меры по выравниванию указанных Параметров между отдельными диодами. При последовательном соединении диодов для выравнивания напряжений обычно используются резисторы, включенные параллельно диодам, а при параллельном соединении - индуктивные делители различных типов.
+ 9-
 Рис. 1.3. Последовательное и параллельное соединение диодов Значительно более высоким быстродействием при сравнении с обычными кремниевыми диодами обладают диоды Шоттки (для мощных приборов десятки наносекунд). В основе механизма их Действия лежат электрофизические процессы, возникающие при контакте между металлом и полупроводником. Основным преимуществом по сравнению с обычными диодами с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей при прямом смещении перехода. В результате этого накопление и рассасывание основных носителей имеют малую инерционность, обусловленную только барьерной емкостью контакта. Современные мощные диоды Шоттки выпускаются на низкие (десятки вольт) напряжения и токи (сотни ампер). Кроме диодов Шоттки разработаны еще две группы быстродействующих диодов: диффузионные р-п диоды и эпи-таксиальные, в зависимости от технологии их изготовления. Этц приборы рассчитаны на более высокие напряжения. Наиболее высоковольтными (800-1600 В) являются диоды, изготовленные по диффузионной технологии. По значению прямого напряжения быстродействующие силовые диоды распределяются следующим образом: диоды Шоттки 0,5-0,9 хВ; эпитаксильные 0,8-1,3 В; диффузионные 1,1-1,6 В. 1.1.2. силовые транзисторы Биполярные транзисторы. Этот тип приборов длительный период времени был практически единственным полностью управляемым силовым полупроводниковым ключевым элементом. Основой биполярного транзистора является трехслойная полупроводниковая структура, в которой чередуются слои с электропроводностью р- и п-типа. Наличие в структуре двух типов полярностей и обусловило термин «биполярный». Средний слой структуры биполярного транзистора может быть изготовлен как с электропроводностью р-, так и я-типа (тогда соответственно транзисторы называются р -п -р или п -р -п типа). На рис. 1.4 а, б представлены структура, символические обозначения и внешние цепи транзисторов р-п-р и п-р-п типов. Для работы транзисторов в усилительном или ключевом режиме к р-п переходам прикладываются внешние напряжения. В транзисторе типа р-п-р левая область -является источником потока дырок и называется эмиттером (£), а правая, которая собирает инжектированные дырки,- коллектором (С). Средняя область называется базой (В). В хранзисторе п-р-п, наоборот, правая область является эмиттером, а левая коллектором. Для того чтобы в цепях коллектора и эмиттера начал протекать ток, необходимо на эмиттерный р-п переход подать прямое напряжение, а на коллекторный - обратное. Iipn этом значение коллекторного тока зависит от значения, тока базы. Следовательно, транзистор является полностью управляемым прибором. Вольт-амперные характеристики тока коллектора в функции напряжения между коллектором и эмиттером С/с£ при разных значениях тока базы приведены на рис. 1.5. В преобразовательных устройствах силовые транзисторы обычно используются в качестве ключевых элементов, т. е. работают в режиме переключения из области насыщения (соответствует включенному состоянию - кривая А) в область отсечки (вы- £ О- + 0- с о- + 0- £ -О- % а) В 5) Рис. 1.4. Структуры и внешние цепи биполярных транзисторов ff . вз>-вг вz>вf Выкл. Вкл. It 4i > в "се Рис. 1.5. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора Рис. 1.6. Диаграммы изменения тока, напряжения и мощности транзистора при переключении: а-диаграммы тока коллектора 1с и напряжения коллектор-эмиттер Uce; 6-диаграмма мгновенного значения мощности Рт ключенное состояние -кривая Б). Рабочая точка при этом находится либо на кривой А, либо на кривой Б; соответственно ее положение определяет в первом случае падение напряжения на полностью открытом транзисторе, а во втором-ток утечки закрытого транзистора. Основными параметрами, используемыми при выборе типа силового .биполярного транзистора, являются следующие: максимально допустимый импульсный ток коллектора; максимально допустимое импульсное напряжение коллектор - эмиттер; статический коэффициент передачи тока; максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора; времена включения и выключения, определяющие быстродействие транзистора в ключевых режимах. Силовые биполярные транзисторы обычно изготавливаются на основе кремния и обозначаются по действующим стандартам буквами ТК и далее набором цифр, характеризующих конструктивное исполнение, допустимые значения токов и на1Хряжений, значение напряжения насыщения и т. д. [2]. Например, транзистор ТК 152-80-3-1 имеет штыревое исполнение с жестким выводом, допустимый импульсный ток коллектора 80 А, класс напряжения 3 (300 В) и группу по напряжению насыщения 1 (0,6 В). При использовании силовых транзисторов в качестве ключевых элементов следует учитывать, что на интервалах переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот в структуре транзистора выделяется повышенная мощность. Это обусловлено конечными значениями времен спадания и нарастания тока и напряжения на транзисторе (рис. 1.6 а, б). Зависимости, характеризующие изменения токов и напряжений 0 [ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||