1. Классификация преобразователей энергии. Преобразователями электрической энергии являются устройства, которые связывают две электрические системы, отличные друг от друга током, числом фаз и т. д. И позволяют согласно заданным законам изменять параметры электрической энергии в целях обеспечения обмена электрической энергией между системами. Различают 4 типа преобразователей:

   1. Преобразователи переменного тока в постоянный (выпрямители);

   2. Преобразователи постоянного тока в переменный (инверторы);

   3. Преобразователи переменного тока в переменный с другими параметрами (преобразователи частоты, числа фаз и т. д.);

   4. Преобразователи постоянного тока (напряжения) в постоянный ток (напряжение) с другими параметрами (импульсные преобразователи).

2. Силовые полупроводниковые преобразователи энергии.

В промышленности эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния в виде постоянного тока, а большинство потребителей используют переменный ток. В связи с этим появилась острая необходимость в преобразование одного вида тока в другой, переменный в постоянный и наоборот, а в настоящее время весьма эффективно использовать в цепи разнообразное чередование различных преобразований. На современном этапе наибольшее распространение получили полупроводниковые силовые преобразователи.

А) По типу применяемого полупроводникового прибора:

1) Мощные полупроводниковые диоды (неуправляемые вентили). Они используются в качестве выпрямителей переменного тока в посторянный.

Особенности: высокие пробивные напряжения, меньшие обратные токи, высокая теплостойкость.

2) Мощные управляемые тиристоры (управляемые вентили): однопроводящие, работающие в режиме управляемых вентелей; двухпроводящие (симметричные), обеспечивающие прохождение тока в обоих направлениях при изменении полярности подведенного к ним напряжения, для регулирования действующего значения переменного тока или числа периодов в пределах каждого рабочего цикла(электросварка).

Особенности: большая долговечность, высокий КПД, надёжность, малые габариты, широкое регулирование тока и напряжения, совершенствование систем инвертирования тока и преобразования частоты.

Б) По выполняемым функциям:

1) Выпрямители переменного тока в постоянный.

2) Инверторы тока – для преобразования постоянного тока в переменный: однофазные и трёхфазные, на мостовой схеме, ведомые сетью и автономные. По характеру связи с источником питания и видам снимающих фильтров авт-ые инверторы: инвертор тока(высокое L_dна входе)и инвертор напряжения(высокоеC_dна входе).

3) Преобразователи частоты: с промежуточным звеном постоянного тока(выпрямитель + авт. инвертор), с непосредственной связью(для снижения веса).

4) Преобразователь постоянного напряжения, состоящий из инвертора и выпрямителя, служит для повышения уровня постоянного напряжения.

3 Принцип действия тиристора. Вольтамперная характеристика тиристора. Предпосылки к созданию тиристоров и их классификация

Относительные значения теряемой электрической мощности уменьшаются, и скорость изменения тока в приборе возрастает, если прибор имеет вольт-амперную характеристику, представленную на рис. 6,20, б (кривая OABCD).

Особенностью такой характеристики является то, что при увеличении напряжения до некоторого значения U_a (напряжения переключений) ток в приборе очень мал, а затем он быстро возрастает. При этом рабочая точка перемещается по геометрическому месту, близкому к линии нагрузки MN, от точки А до полного значения тока, соответствующего точке С на участке крутого подъема вольт-ампер ной характеристики. Наклон MN определяется сопротивлением во внешней цепи. Если это сопротивление выбрать очень большим (источник тока), а также значительно повысить напряжение питания источника, то можно добиться постепенного повышения тока при перемещении рабочей точки влево от точки А по ветви характеристики АВ до перехода на круто наклонный (рабочий) участок характеристики BD. При обычных источниках питания и конечных значениях нагрузочных сопротивлений ток в приборе нарастает скачком, минуя ветвь АВ, которой отвечает отрицательное сопротивление прибора. При этом обеспечивается большая скорость нарастания тока в приборе и меньшие потери электрической энергии, преобразующейся в тепло.

Такой вольт-амперной характеристикой с участком отрицательного сопротивления АВ обладают четырехслойные полупроводни­ковые приборы (рис. 6.20, б), называемые тиристорами.

Рис. 6.20. Сопоставление вольт-амперных и нагрузочных характеристик тиристора (б), структурная схема тиристора (в)

Изготовляются тиристоры из кремния. В монокристалле кремния создаются четыре слоя с перемежающейся проводимостью р-п-р-п, разделенные тремя p-n-переходами П₁, П₂ и П₃. Слой р₁ выполняет в тиристоре функции анода, а слой n₂ — функции катода.

При сообщении аноду положительного потенциала по отноше­нию к катоду тиристор после его открытия пропускает прямой ток I_а. При обратной полярности анодного напряжения через прибор проходит обратный ток I_b.

Маломощные приборы применяются главным образом в релейных системах и маломощных коммутационных устройствах, а приборы, пропускающие большую мощность, — в преобразователь­ных системах.

Кроме разделения по диапазонам мощностей, тиристоры классифицируют также по способам управления.

Если тиристор имеет только два основных электрода (анод и катод), то включение его (перевод в открытое состояние) и выключение (перевод в запертое состояние) достигается путем изменения полярности напряжения питания. Такие тиристоры называют неуправляемыми.

Если же тиристор выполнен с третьим электродом, выполняющим функции органа управления ЭУ (см. рис.6.20,в), то перевод тиристора из закрытого состояния в открытое может быть выполнен также с помощью тока управления. Такие тиристоры называют управляемыми. Управляемым тиристорам отвечают на рис. 6.20, б пунктирные участки вольт-амперной характеристики и соответственно линии нагрузки M'N' и M"N".

При возможности выполнения в тиристоре только операции включения управляемые тиристоры называют однооперационными, Если же в тиристоре возможно выполнение также и операции выключения с помощью тока управления (что достигнуто пока только в маломощных тиристорах), то их называют двухоперационными.

Физические процессы в неуправляемом тиристоре и построение его вольт-амперной характеристики

Структурная схема неуправляемого тиристора приведена на рис. 6.21, а. На схеме указаны примерные значения концентраций носителей в четырех его слоях р₁,n₁,р₂ и n₂. Они создаются путем диффузии в исходный монокристалл n-проводимости вначале акцепторной примеси (алюминий, бор), образующей слои р₁ и р₂, а затем донорной примеси (фосфор), образующей наружный слой n₂.

При сообщении тиристору положительного (прямого) напряжения, когда анод А (слой p₁) положителен, а катод К. (слой n₂) отрицателен, напряжение питания распределяется между тремя его переходами П₁ ,П₂ и П₃ с полярностью, указанной на рис. 6.21, а.

Рис. 6.21. Схема движения носителей в тиристоре, проходящих через эмиттерные переходы П₁ и П₃ (а) и составляющие тока в слоях тиристора (б)

При указанном чередовании слоев и полярности напряжения на переходах слой р₁ выполняет функции одного эмиттера, инжек­тирующего дырки в слой n1 (базу), а слой n₂ выполняет функции второго эмиттера, инжектирующего электроны во вторую базу p₂. Через тиристор проходят при этом два встречно направленных потока носителей: дырок, уходящих от эмиттера р₁ через базу n₂ в базу р₂, и электронов, уходящих от эмиттера n₂ через базу р₂ в базу n₁. В базах электроны и дырки частично рекомбинируют между собой. Так как встречное движение носителей противоположных знаков создает ток одного и того же направления (учитываемого по движению положительных зарядов), полный ток, проходящий через тиристор, создается на одних участках (в эмиттерных слоях) главным образом электронами или дырками, а на других участках (в базах) ток представляет собой сумму дырочной и электронной составляющих токов. При этом в любом из сечений тиристора результирующий ток имеет одно и то же значение.

Наличие двух встречно направленных потоков явилось основанием к рассмотрению тиристора (в целях упрощения анализа), состоящим как бы из двух сочлененных между собой транзисторов со слоями р-n-р и n-р-n (рис. 6.21, б).

Транзистор типа р-n-р содержит слои р₁ ,n₁ и р₂, разделенные переходами П₁ и П₂, а транзистор типа n-p-n содержит слои n₂, p₂ и n_l разделенные переходами П₃ и П₂.

При таком сочленении транзисторов слой n1 выполняет одновременно функции базы первого триода и функции коллекторного слоя второго триода, а слой р₂ выполняет функции базы второго триода и одновременно функции коллектора первого триода.

Переходы П₁ и П₃ являются эмиттерными соответственно у первого и второго триодов. Переход П₂ является общим (центральным) коллекторным переходом у обоих триодов.

Эмиттерные переходы при указанной на рис. 6.21, а полярности открыты. Поэтому они воспринимают на себя малые доли от общего напряжения, приложенного к тиристору, а коллекторный переход П₂ смещен в обратном направлении, в связи с чем он воспринимает наибольшую часть напряжения питания.

Уходящий через открытый переход П₁ в базу n₁ поток дырок образует дырочную составляющую эмиттерного тока I_р. Небольшой поток электронов, выходящий из базы n₁ в эмиттерный слой р₁ образует электронную составляющую эмиттер ного тока I_п'.

Аналогично через открытый переход П₃ входит в базу р₂ электронная составляющая эмиттерного тока In, а в эмиттерный слой n₂ входит из слоя p₂ небольшая дырочная составляющая тока I'_р.

Так как концентрация основных носителей в базах на два порядка величины меньше концентрации носителей в эмиттерах, то составляющими тока I_n' и I_р' по сравнению с I_р и I_n можно пренебречь. Тогда в силу непрерывности тока можно записать, что

I_p=I_n =I (6.1)

Часть дырочного потока, вошедшая через эмиттерный переход П₁ в базу n₁(рис. 6.21, б), частично рекомбинирует с электронами, образуя при этом рекомбинационную составляющую дырочного тока 1_р(1 - а_р), а остальная часть дырочного потока, уходящая в слой p₂, образует транзитную составляющую дырочного тока I_ра,р. Аналогично рекомбинирующаяся в базе р₂ доля электронного потока образует рекомбинационную составляющую электронного тока I_n(1 - аn), а проходящая в базу n1 остальная часть электронного потока образует транзитную составляющую электронного тока I_nаn. Множители а_р и аn представляют собой коэффициенты передачи дырочного и электронного токов через базы n₁ и р₂.

Кроме зарядов, вносимых в каждую из баз тиристора рекомбинационными и транзитными составляющими токов, в общем балансе зарядов в базах принимают также участие неосновные носители, переносимые полем в коллекторном переходе из одной базы в другую. Эти заряды образуют составляющие собственного тока коллекторного перехода I_кр и I_кn. Когда полярность напряжения на коллекторном переходе соответствует обратному смещению, в базу n₁ входит электронная составляющая собственного тока коллекторного перехода I_КП, а в базу p₂ входит дырочная составляющая этого тока I_кр. Сумма этих составляющих образует полный собственный ток коллекторного перехода:

Соотношение между составляющими тока I_кр и I_кn зависит от концентрации неосновных носителей в базах n₁ и р₂.

Так как ни одна из баз неуправляемого тиристора не имеет внешнего вывода (через который могли бы поступать носители в базу извне), а закон зарядной нейтральности (выражающийся в одинаковом числе зарядов обоих знаков в любом полупроводниковом объеме при отсутствии в нем электрического поля) должен всегда соблюдаться, то заряды разных знаков в каждой из баз, и создаваемые ими токи должны быть одинаковы.

Баланс зарядов в базе n₁ создается (см. рис. 6.21, б): а) приходящими из эмиттера р₁ дырками, образующими рекомбинационную составляющую тока I_р(1 - а_р) (транзитная составляющая дырочного тока Iра_р не изменяет баланса зарядов, поскольку она входит и уходит из базы n1), б) электронами, приносимыми транзитной составляющей электронного тока I_nаn и в) входящими электронами и уходящими дырками, создающими составляющие собственного тока коллекторного перехода I_кn и I_кр.

С учетом формул (6.1) и (6.2) равенство (6.3) может быть переписано в таком виде:

При учете всех составляющих тока баланс зарядов в базе n₁ определяется следующим равенством:

К такому же равенству приходим, если рассматривать баланс зарядов в базе p₂.

Появление в формуле (6.4) полного собственного тока I_к коллекторного перехода, а не отдельных его составляющих, объясняется тем, что унос дырок из базы n₁ составляющей тока I_кр равносилен вхождению в нее такого же числа электронов.

Собственный ток коллекторного перехода I_к играет весьма существенную роль в режиме работы тиристора. Его численное значение, дополняющее до необходимого уровня дефицит в балансе зарядов, устанавливается благодаря автоматическому изменению напряжения на центральном переходе П₂, возникающему при малейшем отступлении от баланса зарядов в любой из баз. Так, если для баланса зарядов в базе n₁ не хватает электронов, то на ее границе с коллекторным переходом возрастает положительный потенциал.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ТИРИСТОРЫ

По конструктивному выполнению управляемые тиристоры отличаются от неуправляемых тем, что они имеют наружный вывод от тонкой базы p₂, прилегающей к катоду (рис. 6.28, а), и общий вывод для катодной цепи и цепи управления. К наружным выводам от слоев управления p₂ и n_z присоединяется источник постоянного напряжения либо тока (статическая система управления) или же, что чаще применяется, импульсный источник напряжения либо тока (импульсное управление).

В одиооперационных управляемых тиристорах достигается, как об этом уже говорилось, только операция включения (открытие тиристора), а в двухоперационных возможно также выключение тока (закрытие тиристора).

Однооперациониые тиристоры выпускаются в настоящее время на широкую шкалу токов (от десятков миллиампер до нескольких сот ампер) и на напряжения (от десятков до тысячи вольт и более), а двухоперационные тиристоры изготовляются на токи, не превышающие пока 5—10 а.

Выключение тока с помощью цепи управления у двухоперационных тиристоров открыли возможность создания принципиально новых релейных и коммутационных систем.

Рис. 6.28. Диаграмма составляющих токов (а) и вольт-амперная

характеристика при включении тиристора с помощью тока

управления (б); условное обозначение (в)

Так как при стационарном режиме работы, когда через тиристор проходит прямой ток, процессы в них остаются такими же, как и в неуправляемых тиристорах, то здесь рассмотрим только переходные процессы, связанные с включением и выключением тиристоров.