|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы определенного для данного типа тиристора значения, после чего он перейдет в проводящее состояние. Включение тиристора прямым напряжением обычно соответствует аварийным режимам. Поскольку включение тиристора зависит от управляющего тока, то в информационных материалах обычно приводят также диаграмму вольт-амперных характеристик управляющего электрода (входных) /g=/("g) (рис. 1.10,6). На ней приводятся предельные характеристики (кривые / и 2). Кривая 1 соответствует прибору с максимальным входным сопротивлением при минимально допустимой температуре, а кривая 2 - прибору с минимальным входным сопротивлением при максимально допустимой температуре. Сверху и справа диаграмма ограничивается прямыми, соответствующими предельно допустимым значениям тока управления Icmax и напряжения на управляющем электроде Uq (в зависимости от температуры). Внизу диаграммы также указывают область (на рис. 1.10, б эта область заштрихована), которая ограничена минимальными значениями тока и напряжения, необходимыми для включения любого тиристора данного типа. Кроме того, на диаграмме обычно приводятся кривые допустимой мощности на управляющем электроде для различных значений длительности управляющих импульсов (например, кривые 3 и 3). Большинство типов тиристоров включаются токами со значениями несколько сотен миллиампер при напряжении на управляющем электроде, не превышающем 10 В. Длительность управляющего импульса должна быть больше нескольких десятков микросекунд (в зависимости от типа тиристора). Для четкого и быстрого включения тиристора управляющие импульсы должны иметь крутой фронт (около 1 мкс). Некоторые параметры, которыми характеризуются тиристоры, аналогичны параметрам, указанным выше для диодов. Кроме того, в технических условиях, помимо параметров цепи управления, обычно указываются: 1. Время включения tg, тиристора. Это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодного напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку. 2. Время выключения тиристора (называемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время от момента, кoдa прямой ток становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не открываясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания. 3. Критическая скорость нарастания прямого напряжения (dujdt)criv Это максимально допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении допустимого значения {duoldt)„it происходит самопроизвольное включение тиристора. 4. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (diTldt)„if Это наибольшее значение скорости нарастания тока в открытом состоянии, которую тиристор может выдержать без повреждения. 5. Ток в закрытом состоянии тиристора /д. Это анодный ток тиристора в закрытом состоянии. 6. Ток в открытом состоянии тиристора 1д. Это наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии. Ток Ig необходимо учитывать при расчете минимальных нагрузок тиристорных преобразователей. Обычно для мощных тиристорой этот ток равен лескольким сотням миллиампер и зависит от температуры. Согласно [1 ] в обозначении тиристора должны содержаться следующие элементы: буква Т, обозначающая тиристор, и буква, обозначающая вид тиристора (Б - быстродействующий, С - симметричный, Ч - быстровыключающийся и др.); три цифры, характеризующие типоразмерный ряд и другие конструктивные данные; у число, указывающее средний ток в амперах; класс по напряжению и номера групп по критической скорости нарастания напряжения, временам включения и вы- ключения и др. Например, тиристор быстродействующий типа ТБ-133 на ток 250 А, восьмого класса, с критической скоростью нарастания напряжения по группе 5 и временам выключения по группе 2 обозначается: ТБ-133-250-8-52. Современные наиболее мощные тиристоры имеют предельный ток 3000-4000 А и напряжение до 6000, В. При этом критическая скорость нарастания напряжения достигает 1000 В/мкс, а тока (1000-1500) А/мкс. Время выключения наиболее быстродействующих мощных тиристоров не превышает нескольких единиц, микросекунд. . В схемах многих типов преобразователей к тиристорам подключаются встречно-параллельные диоды, шунтирующие тиристор при появлении на нем обратного напряжения. В таких случаях обратное напряжение на тиристоре становится малым и не превышает значений прямого падения напряжения на диодах (как правило, долей вольта). Это обусловило разработку других типов тиристоров - асимметричных (АТ) и тиристоров с обратной проводимостью (ТОП). В отечественных стандартах они определяются как тиристоры, проводящие .в обратном направлении и обозначаются ТП. Для тиристоров, проводящих в обратном направлении и допускающих работу в обратном направлении в качестве диода, введено обозначение ТД (ти-ристодиод) [1]. Асимметричные тиристоры получаются введением в структуру тиристора дополнительного слоя с проводимостью «-типа. В результате значение обратного напряжения, выдерживаемого тиристором без, его включения, значительно снижается (до нескольких десятков вольт). Однако при этом существенно (в 2 - 3 раза) уменьшается время выключения тиристора. Такими же свойст(вами обладает и тиристор с обратной проводимостью, имеюпщйподобно AT пятислойную структуру и дополнительное диодное кольцо. Быстродействие тиристоров AT и ТОП позволяет использовать их в схемах с повыщенными частотами. Рациональная область использования AT и ТОП -преобразователи средней мощности. Запираемые тиристоры (ЗТ). Хиристор имеет принципиальный недостаток - неполную управляемость. Для его выключения необходимо обеспечить спад прямого тока до нуля, что достигается во многих схемах электронных устройств введением дополнительных узлов принудительной (искусственной) коммутации. Последние вьшолняются на основе энергонакопитйль-ных устройств (обычно конденсаторов), подключение которых в соответствующей полярности к проводящему тиристору создает условия для спадания до нуля прямого тока тиристора. Эти дополнительные коммутирующие узлы утяжеляют тири-сторное устройство и значительно ухудшают его технико-экономические характеристики. Поэтому параллельно с разработкой тиристоров проводились исследования возможности их выключения по управляющему электроду путем подачи на него отрицательного управляющего импульса. Однако положительные результаты этих исследований долгое время ограничивались созданием относительно небольших по значениям тока (до нескольких десятков ампер) ЗТ, что ограничивало их конкурентоспособность по напряжению к силовым транзисторам. В то же время развитие схемотехники преобразовательных устройств постоянно повышало актуальность решения этой проблемы. В результате интенсификации работ в этом направлении, а также благодаря достижениям в области технологии силовых полупроводниковых приборов за последние десять лет были созданы и постоянно совершенствуются мощные ЗТ. Высокие технические характеристики ЗТ достигаются главным образом за счет изменения структуры ЗТ по сравнению со структурой тиристоров. В частности, в структурах ЗТ обеспечивается высокая проводимость зоны управляющего элемента, что позволяет более интенсивно блокировать протекание прямого тока при подаче на управляющий электрод отрицательного относительно катода импульса. Важную роль в решении этой задачи сыграло совершенствование технологии полупроводниковых приборов, которое позволило обеспечить однородность электрических свойств/ отдельных слоев структуры и воз-, можность управления временем жизни носителей в процессе изготовления прибора. y.vn Рис. 1.11. Типовая схема включения запираемого таристора Для включения и выключения ЗТ обычно используются два отдельных источника напряжения (рис. 1.11). При выключении ЗТ следует стремиться обеспечить оптимальную (по времени выключения и коммутационным по1срям мощности) скорость нарастания тока управления. Это Может быть достигнуто введением соответствующего значения индуктивности в цепь управления по выключению. Схема управления ЗТ должна обеспечивать: мощные импульсы токов включения и выключения, длительный ток управления при малых нагрузках тефистора, длительное отрицательное запирающее напряжение для надежного выключения тиристора. Коэффициент запирания (отношение выключаемого анодного тока к запирающему току управления) обычно не превышает 5. Следует отметить, что ЗТ более критичны к скорости нарастания прямого нЬпряжения, чем тиристоры, и поэтому рекомендуется, как правило, шунтировать ЗТ цепью, состоящей из конденсатора С, резистора R и диода VD, а для ограничения значения анодного тока при включении последовательно с ЗТ включить насыщающийся дроссель L (рис. 1.11). Параметры коммутируемых токов и напряжений современными ЗТ приближаются к аналогичным параметрам тиристоров. Так, например, лучшие образцы ЗТ, разработанные в, 1986 г. фирмами Японии, рассчитаны на тапряжение до 4500 В и ток до 2500 А. 1.1.4. ПРИМЕНЕНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Тиристоры и силовые диоды пока остаются основными приборами в области преобразования сверхвысоких мощностей (до нескольких гигавольт-ампер), например, в высоковольтных линиях электропередачи постоянного тока. Новые приборы находят пшрокое применение в агрегатах бесперебойного  гооо 5000 гА Рис. 1.12. Характерные предельные параметры силовых полупроводниковых приборов: / - тиристоры; 2-запираемые тиристоры; 3-биполярные транзисторы; 4-гранзисторы с изолированным затвором; 5 - МОП-транзисторы питания, электропривода, вторичных источниках питания, силовых электронных аппаратах и др. На рис. 1.12 приведены области характерных параметров основных типов новых силовых полупроводниковых приборов, выпускаемых в настоящее время. Среди новых приборов - мощные МОП-транзисторы, запираемые тиристоры, транзисторы с изолированным затвором [5]. Эти транзисторы применяются в большинстве типов преобразователей средней мощности, применяемых в качестве источников питания силовых электронных регуляторов для электропривода. Биполярные транзисторы с напряжением до 500 В и током до 50 А остаются пока наиболее применяемыми в силовых схемах. Во вторичных источниках питания малой и средней мощности и высокой частотой преобразования (свыше 20 кГц) успешно используются МОП-транзисторы. Использование МОП-транзисторов позволяет также значительно повысить КПД преобразователей и упростить их системы управления. Применение МОП-транзцсторов в высокочастотньгх устройствах индукционного нагрева позволило также повысить их КПД более чем в 1,5 раза по сравнению с ламповыми генераторами. 26 Освоение биполярных транзисторов с изолированным затвором, сочетающих достоинства МОП-транзисторов и биполярных, расширило возможности улучшения технико-экономических показателей преобразователей средней мощности, содержащих звенья повышенной частоты. Интенсивно внедряются в преобразовательную технику средних мощностей запираемые тиристоры. Сочетание высоких коммутируемых напряжений (свыше 1400 В) и больших токов определяет их преимущество перед биполярными транзисторами. Внедрение этих типов приборов позволяет упростить управление ключевыми режимами приборбв в схемах автономных инверторов, импульсных регуляторов й др. Однако при напряжении ниже 1000 В предпочтительнее использовать биполярные транзисторы, имеющие еще более простое управление. Одним йз эффективных путей улучшения технико-экономических показателей преобразователей является конструктивно-технологическая интеграция элементов и, в частности, полупроводниковых приборов. Гибридные интегральные схемы, состоящие из соединенных определенным образом приборов (диодов, тиристоров, транзисторов и др.), смонтированных, как правило, в едином пластмассовом корпусе, называются силовыми полупроводниковыми модулями. Схемы соединений элементов в модулях обычно соответ- ствуют типовым схемам преобразования (например, однофазный или трехфазный мост) или их составным частям (например,. последовательно или параллельно соединенные элементы). На рис. 1.13, а -г представлены примеры типовых принципиальных схем диодных, тиристорных, диодно-тиристорных модулей ад модулей на запираемых тиристорах [6]. Появление новых силовых приборов значительно расширило номенклатуру модулей и области их использования. В" силовых транзисторных модулях наиболее широко используется соединение биполярных транзисторов по схеме Дарлингтона. На рис. 1.14 представлен пример интегральной однокаскадной схемы Дарлингтона сО встречно-включенным диодом, включенным параллельно основному силовому транзистору. При соединении транзисторов по схеме Дарлингтона быстродействие переключения модуля уменьшается и растет значение напряжения насыщения. Коэффициент усиления в зависимости от числа каскадов возрастает на 2-3 порядка по сравнению с одним биполярным транзистором. Серийные транзисторные модули обычно изготавливаются по планарной технологии. Рядом зарубежных фирм выпускаются транзисторные силовые модули с большим числом параллельно соединенных транзисторных структур. При этом, благодаря - достижениям 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 |