1. Силовые полупроводниковые приборы

Для схем силовой электроники применяются полупроводниковые приборы с максимально допустимым прямым током более 10 А и максимальным импульсным прямым током более 100 А. По принципу действия различают силовые диоды, тиристоры и транзисторы, которые, в свою очередь, могут отличаться по конструктивному исполнению и по электрическим параметрам.

Силовые полупроводниковые приборы не могут эксплуатироваться при предельно допустимых параметрах напряжений и токов. Коэффициент запаса по напряжению и току определяется изготовителем из условий обеспечения заданной надёжности.

В зависимости от условий воздействия напряжения на полупроводниковый прибор различают три вида максимально допустимых значений напряжения: рабочее, повторяющееся и неповторяющееся (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Виды напряжений, воздействующих на силовой полупроводниковый прибор

Рабочее напряжение U_р – амплитудное значение напряжения синусоидальной формы, длительно прикладываемое к полупроводниковому прибору в обратном (или прямом и обратном для тиристоров) направлении при номинальной нагрузке по току, при котором обеспечивается заданная надёжность работы.

Повторяющееся напряжение U_п – наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к полупроводниковому прибору каждый период в закрытом состоянии в обратном (или прямом и обратном для тиристоров) направлении с учётом всех повторяющихся перенапряжений, которые могут возникнуть в схеме преобразователя из-за процессов коммутации.

Неповторяющееся напряжение U_нп – наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося (вызванное переходным процессом в преобразователе) напряжения, прикладываемое к полупроводниковому прибору в закрытом состоянии в обратном (или прямом и обратном для тиристоров) направлении. Неповторяющееся напряжение обусловлено внешней причиной, например грозовыми или коммутационными перенапряжениями в питающей сети.

В зависимости от величины повторяющегося напряжения силовые полупроводниковые приборы разделяют на классы. Класс прибора соответствует числу сотен вольт допустимого повторяющегося напряжения и определяется при изготовлении на контрольных испытаниях.

1.1. Силовые полупроводниковые диоды

Принцип действия полупроводникового диода основан на использовании свойств электронно-дырочного p-n перехода, возникающего в пластине полупроводника между слоями с различными типами электрической проводимости.

На рис. 1.2 представлена вольтамперная характеристика полупроводникового диода. На ней выделяют две ветви – прямую (А) и обратную (Б).

Рис. 1.2. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

В нормальном режиме работы прямая ветвь характеризуется малой величиной прямого напряжения (около 1В) и большой величиной прямого тока (от 200 до 2000 А), а обратная - большой величиной обратного напряжения (от 600 до 2000 В) и малой величиной обратного тока (от 5 до 50 мА). Однако существуют режимы перегрузки, при которых нормальная работа силового полупроводникового диода может быть нарушена. При большой величине прямого тока, превышающей максимально допустимую для данного вида диода, может произойти тепловой пробой полупроводника, характеризующийся появлением внутреннего короткого замыкания и потерей диодом свойств односторонней проводимости. При увеличении обратного напряжения свыше максимально допустимого может произойти электрический пробой p-n перехода, характеризующийся резким возрастанием обратного тока при практически неизменном обратном напряжении (пунктирная линия на участке Б вольтамперной характеристики). Такой пробой обусловлен ударной ионизацией атомов кристаллической решетки полупроводника свободными носителями зарядов и называется лавинным. Если в конструкции диода не приняты специальные меры по равномерному распределению обратного тока по площади кристалла, то возникает местный перегрев и тепловой пробой полупроводника. Если же диод в силу своих конструктивных особенностей может выдерживать состояние лавинного пробоя продолжительное время, то такой диод называется лавинным, и он может быть использован как ограничитель перенапряжений, возникающих в установках силовой электроники.