Казачковський_аппч2

симетричний (ТС);

оптронний (ТО);

тиристор-діод або асиметричний тиристор (ТД).

ХХХХ ХХХ-ХХХХ-ХХ-Х

група за швидкодією клас за допустимою напругою

максимальний середній струм, А умовне позначення конструктивного різновиду умовне позначення розміру номер модифікації

умовне позначення підвиду тиристора вид тиристора

швидкодіючий (ТБ) – час вимикання менший за 63 мкс, час вмикання менший за 4 мкс (використовують в автономних інверторах із ШІМ та переривниках постійного струму з частотою комутації до 10 кГц);

швидковимиканий, або високочастотний (Ч) – час вимикання менший за

63 мкс;

швидковмиканий, або імпульсний (И) – час вмикання менший за 4 мкс. Конструктивні виконання тиристорів:

безкорпусний (для використання у тиристорних модулях);

штирьовий із гнучким або жорстким випуском (рис. 1.4,а);

таблетковий (рис. 1.4,в) із можливістю двобічного охолодження;

фланцевий (рис. 1.4,б).

На рис. 1.4 цифрою 1 позначений керуючий електрод, цифрою 2 – основа, що притискається до охолоджувача. Тиристор таблеткової конструкції має плоскі анод та катод, до яких з обох боків притиснуті охолоджувачі.

11

Тиристори всіх видів та підвидів поділяються на класи за значеннями напруг UD і URRM. Умовне позначення класу – число, яке дорівнює допустимій напрузі (у вольтах), поділеній на 100.

Групи тиристорів за швидкодією позначаються однозначною цифрою від 0 до 9 (збільшення номера групи відповідає збільшенню швидкодії).

Приклад умовного позначення тиристора: ТБ151-63-6-445 – тиристор швидкодіючий, першої конструктивної модифікації, розмір шестигранника “під ключ” 27 мм, конструктивне виконання штирьове з гнучким випуском. Середній струм 63 А, напруга 600 В (6 клас), четверта група за критичною швидкістю зростання напруги, четверта група за часом вимикання, п’ята група за часом вмикання.

12

лу, до неї подають короткий імпульс негативного струму. Діоди VD1, VD2 забезпечують одночасну подачу негативного потенціалу на бази всіх транзисторів. Резистори R1, R2, R3 призначені для прискорення відкриття ключа. У закритому стані транзисторами тече невеликий струм відсічки (наприклад, струм відсічки VT2 – колом К-К2-Е2-R3-Е). Внаслідок падіння напруги у резисторах до переходів “база – емітер” прикладений невеликий позитивний потенціал, який дещо зміщує його у напрямку відкриття. Це призводить до збагачення pn-переходу носіями зарядів та прискорення процесу відкриття після отримання на базу позитивного потенціалу.

Область безпечної роботи (ОБР) транзистора – це діапазон зміни струму колектора та напруги колектор-емітер, у якому забезпечується надійна робота ключа без погіршення його характеристик та параметрів (рис. 1.8). Розрізняють ОБР статичні (зона “а” на рис. 1.8) та динамічні (“б”) ОБР. Статична ОБР відображає припустимі режими транзистора у тривалому режимі, динамічна – в імпульсному. Надмірне зростання струму призводить до струмового пробою структури (лінії 1), температури – до теплового пробою (лінії 2), тривалості імпульсу струму – до вторинного пробою (лінії 3), напруги – до лавинного пробою (лінії 4). Розміри ОБР залежать від характеристик режиму роботи. Як видно з рис. 1.8, ОБР звужується зі зростанням температури корпусу приладу та тривалості імпульсу струму. Задачею розробника є забезпечення роботи ключа у межах ОБР за тих умов, у яких передбачено експлуатацію перетворювача.

На рис. 1.9,а лініями 1 та 2 зображені ВАХ транзистора з мінімальним та максимальним рівнями базового струму, лінією 3 – ВАХ зовнішнього кола

(джерела живлення та навантаження) Uке = Ud –IкRн. Точка A відповідає режиму насичення, коли транзистор цілком відкритий, а точка B – режиму відсічки, коли він закритий.

Якби струм бази змінювався повільно, транзистор переходив би з відкритого стану до закритого і навпаки через активний режим уздовж лінії 3, переходячи з однієї своєї проміжної статичної ВАХ до іншої. Та стрибкоподібне зникнення базового струму не може викликати миттєве закриття

транзистора, бо колекторний струм завдяки індуктивним елементам Lн у

14

складі навантаження швидко не спадає. Тому траєкторією вимикання буде лінія 4, вздовж якої напруга на транзисторі змінюється швидше, ніж струм. До того ж унаслідок немиттєвого відкривання діода до транзистора на початку його вимикання прикладається ЕРС самоіндукції навантаження, наслідком чого може бути вихід траєкторії за межі ОБР.

Коли транзистор закритий, струм навантаження iн продовжує текти, але вже через діод VD (рис. 1.9,б). Цей струм звичайно не встигає змінитися до того моменту, коли транзистор знову отримує відкриваючий імпульс. Тому його відкривання розпочинається за ще відкритого діода і супроводжується короткочасним коротким замиканням зарядженого конденсатора С через VT та VD. Оскільки у контурі короткого замикання індуктивність відсутня, струм колектора швидко зростає, напруга на транзисторі змінитися не встигає. Оскільки на поновлення запірних властивостей діода потрібен певний час (t1 на рис. 1.9,в), струм через нього встигає короткочасно змінити знак, і транзистором тече не тільки струм навантаження, а й негативний струм діода. Лише після поновлення запірних властивостей діода його струм і напруга на транзисторі починають зменшуватися (інтервал t2). Тому процес відкриття транзистора відбувається вздовж траєкторії 5. Струм транзистора на ній може у декілька разів перевищити струм навантаження. Для обмеження струму транзистора під час вмикання замість звичайних діодів використовують швидкодіючі з малою тривалістю поновлення запірних властивостей. Тоді негативний струм через діод не встигне досягти значної величини, а вмикання транзистора відбуватиметься траєкторією 6.

Усі три траєкторії 4, 5, 6 проходять у глибині області активного режиму, де втрати енергії ще більші, ніж на лінії 3. Якщо ці траєкторії вийдуть за межі області безпечної роботи, може бути порушена цілісність напівпровідникової структури.

Для зниження похідної напруги на транзисторі та втрат у ньому під час вимикання використовують RLCD-ланцюги (т. зв. снабери або ланцюги

15

ду напруги і тому мають набагато менші втрати енергії, ніж усі розглянуті траєкторії. Таким чином, використання снаберів дозволяє полегшити тепловий режим ключів та збільшити допустиму частоту їх перемикання.

Для зменшення паразитних індуктивностей RLCD-ланцюги максимально наближені до транзистора, а силові шини мають мінімальну довжину.

Біполярні транзистори внаслідок обмежень на номінальні напругу та струм, низької стійкості до перевантажень, нерівномірного розподілу струмів при паралельному з’єднанні, великої потужності керування практично вичерпали можливості для подальшого розвитку і витісняються з ринку більш досконалими ключами.

1.3. Силові польові транзистори

ладка звичайно з’єднується зі стоком.

Силові польові транзистори, або транзистори, керовані полем, реалізовані за технологією “метал-окис-напівпровідник” (МОН, англійська назва

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET). На відміну від біполярних, які керуються імпульсом струму, польові керуються напругою. Порівняно з біполярними транзисторами вони мають малу потужність керування, просту схему керування, малий струм відсічки, вищі швидкодію (у декілька разів), перевантажувальну здатність (у 2...2,5 рази), термостійкість та неможливість теплового пробою (внаслідок зростання внутрішнього опору зі збільшенням температури), можливість паралельного вмикання без використання вирівнювальних резисторів (потрібне лише розміщення транзисторів на спільному радіаторі), відсутність потреби в снаберах. Проте їх номінальні напруга та струм порівняно невеликі (до 100 А та 1000 В). Тому сфера

16

Біполярні транзистори з ізольованим затвором (або Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) – своєрідний гібрид силового біполярного та керуючого польового транзисторів, реалізованих в одному кристалі (рис. 1.13). Вони поєднують у собі переваги обох типів приладів і мають більшу швидкодію та меншу потужність керування, ніж тиристори та біполярні транзистори, більші номінальні струм та напругу, ніж біполярні та польові транзистори, більшу перевантажувальну здатність при коротких замиканнях (до шестикратної) порівняно з біполярними транзисторами. Для них характерна велика стійкість до похідної напруги dUCE dt та менша схильність до самові-

льного відкриття порівняно з іншими напівпровідниковими ключами. Як і MOSFET-транзистори, вони придатні до паралельного вмикання.

Умовне графічне позначення IGBT-транзисторів досі остаточно не стандартизоване. Використовуються позначення, зображені на рис. 1.14.

Основні параметри IGBT-транзисторів:

17

ня, проте, потрібен хоча й короткочасний, але досить великий струм керування (іноді досягає 20...100% того, який запирається). Це потребує використання досить потужних схем керування. Крім того, для них характерні збільшене падіння напруги у відкритому стані, більші керуючий струм під час вмикання та струм удержання. GTO поступається IGBT швидкодією, однак кращий від них за досяжними напругою та струмом, а також за рівнем спаду напруги у відкритому стані. Його основні статичні параметри вже можна порівняти з такими для звичайних тиристорів, хоча останні поки ще залишаються найбільш потужними напівпровідниковими приладами.

Вимоги до форми керуючого імпульсу ДТ специфічні (рис. 1.15).

Для відкривання тиристора в момент часу t t 1 до його керуючого

електрода треба подати позитивний імпульс струму з досить крутим (5...25 А/мкс) переднім фронтом (для зменшення втрат у тиристорі) та великою амплітудою I FG , яка для забезпечення надійного відкривання повинна в

4...6 разів перевищувати струм IGT , достатній для відкривання. Після того, як

ДТ відкрився, нагальної потреби у протіканні керуючого струму немає, однак для забезпечення стійкості роботи тиристора доцільно підтримувати цей струм на рівні ICG (струм підтримки) протягом усього потрібного ін-

тервалу провідності t3 t2 . Крім того, наявність цього струму дещо зменшує

падіння напруги у відкритому тиристорі.

Для закривання ДТ до його керуючого електрода треба подати негативний імпульс струму з амплітудою

IRGM ITGQ Ggq ,

де Ggq – коефіцієнт запирання (для більшості ДТ лежить у межах 3...5, для

деяких сягає 15).

Передній фронт цього імпульсу повинен мати нахил diRG dt , оптима-

льний для конкретного типу ДТ. Його тривалість – не менша від часу закривання тиристора tgq . Після зникнення анодного струму (момент t t4 ) про-

тягом часу поновлення запірних властивостей ДТ ttq його керуючим елект-

19

родом пропускають невеличкий негативний струм, який підвищує надійність роботи тиристора та рівень вимиканого струму.

У перетворювачах на GTO-тиристорах обов’язкове використання RCD-снаберів за схемою рис. 1.5,б. Оскільки такі тиристори мають набагато більшу порівняно з транзисторами припустиму швидкість зростання анодного струму, роль індуктивних снаберів може виконувати паразитна індуктивність шинопроводу силової схеми.

Потужні двоопераційні тиристори випускають у вигляді таблеток, меншої потужності – також у вигляді модулів (див. п. 1.7) разом зі зворотними діодами.

Типова сфера застосування – потужні та середньої потужності (до 15 МВА) автономні перетворювачі постійного і змінного струмів (переривники, інвертори), а також випрямлячі та безпосередні перетворювачі частоти з примусовою комутацією. Використання двоопераційних тиристорів, які не потребують застосування схем примусової комутації, значно покращує масогабаритні показники перетворювачів енергії. Так, після модернізації тягового перетворювача для електровозу кількість керованих ключів складала 9% порівняно зі схемою на одноопераційних тиристорах з ємнісною штучною комутацією (див. п.2.12), кількість діодів – 18%, потужність втрат – 41%, потужність кіл керування – 50%, маса – 60%, об’єм – 75%.

Наближення до ідеалу силового ключа можливе двома шляхами: через структуру транзистора та через структуру тиристора. Основні переваги тиристора – низькі втрати у відкритому стані, транзистора – швидкодія. Донедавна було два реальних претенденти на застосування в області великих потужностей: GTO-тиристор із його громіздким снабером та IGBT- транзистор із притаманними йому великими статичними втратами.

Новий клас приладів – тиристор, у якому під час вимикання весь анодний струм переходить до кола керуючого електроду (затвору). Тому він отримав назву тиристора, комутованого через затвор (Gate Commutated Thyristor, GCT). Його конструкція базується на GTO-структурі, однак він має властивості біполярного транзистора в режимах перемикання. Звідси його переваги:

більш висока швидкодія порівняно з GTO (частота комутації може сягати 1 кГц для 6 кВ та 3 кГц для 3,3 кВ);

менший спад напруги у відкритому стані на відміну від IGBT-транзисто- рів та GTO-тиристорів ( у 1,5...2 рази);

відсутня потреба в обмеженні dU dt за допомогою індивідуальних снаберів;

менші втрати під час вмикання (у 20...40 разів порівняно з IGBT);

у кілька разів менша потужність керування та удвічі менші, ніж для GTO, габарити драйвера (проте більші, ніж для IGBT);

висока надійність (у кілька разів вища порівняно з GTO та IGBT);

20