Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 5_Полупроводниковые приборы для силовой электроники

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Тема 5. Полупроводниковые приборы для силовой электроники

Смирнов В.И.

кафедра ПиТЭС, УлГТУ

Основные области использования компонентов силовой электроники:

1. Транспорт, в первую очередь, автомобильный и железнодорожный (система управления двигателем и трансмиссией в автомобиле, регуляторы скорости и момента вращения электродвигателей, электронасосы топлива, выпрямительно-инверторные преобразователи электровозов, и т.д. ).

2. Энергетика, связанная с генерацией, передачей и преобразованием электрической энергии (выпрямители, компенсаторы реактивной мощности, преобразователи частоты, оборудование для передачи электроэнергии на большие расстояния постоянным током).

3. Электрометаллургия (установки для электролиза при производстве цветных металлов, электромагнитное перемешивание металла, установки для индукционного нагрева).

4. Электробытовая техника (холодильники, стиральные машины, пылесосы, кондиционеры, электроинструменты).

5. Импульсные источники питания (AC/DC- и DC/DC-конверторы, зарядные устройства, инверторы, корректоры коэффициента мощности).

6. Телекоммуникационное оборудование.

Для повышения КПД электродвигателей используют статический преобразователь электроэнергии. (между источником тока и двигателем). Он осуществляет выпрямление переменного тока, сглаживание фильтрами, преобразование в импульсы тока, изменяющиеся по определенному закону (обычно синусоидальному) с нужной амплитудой и частотой.

Широтно-модулированные импульсы нужной амплитуды и частоты поступают на обмотки электродвигателя. Частота вращения двигателя в этом случае уже никак не связана с частотой переменного сетевого напряжения, а определяется конкретным режимом работы электродвигателя.

Преобразование постоянного тока в импульсы тока (коммутация) необходимо не только для DC-AC преобразователей, но и для DC-DC преобразователей (понижающих и повышающих). Чем выше частота импульсов, тем эффективнее работа преобразователей.

Электронные ключи можно выполнить на основе биполярных транзисторов БТ, мощных полевых транзисторов ПТ (MOSFET), БТ с изолированным затвором (IGBT), тиристоров, выключаемых по управляющему электроду.

-невысокая скорость коммутации - рабочие частоты менее 10 кГц;

-из-за малого значения β требуется большой Iб (ток управления).

-они не закрываются мгновенно, существует т.н. «токовый хвост».

Для коммутации лучше подходят MOSFET- и IGBT-транзисторы. MOSFET-транзисторы перед БТ имеют следующие преимущества:

-малое время переключения (частота коммутации порядка сотен кГц);

-низкое Rоткр(~ 1 мОм) и высокое Rзакр (~ 10 Мом);

-довольно большой ток в открытом состоянии (на уровне килоампер);

-управление низковольтным напряжением;

-стойкость к лавинному пробою.

Альтернативой MOSFET-транзисторам явились IGBT-транзисторы, которые несколько уступают им по быстродействию, но обладают более высоким напряжение в закрытом состоянии (несколько кВ) и более низким напряжением в открытом состоянии (несколько вольт).

Более мощными являются тиристоры, но их частота коммутации не превышает примерно 50 кГц.

Симметричный тиристор (триак или диак) - это тиристор, который при подаче сигнала на управляющий электрод (для триака) способен переходить в проводящее состояние как в прямом, так и в обратном направлениях.

Структура диака

ВАХ симистора

Структура триака

Полярность управляющего напряжения должна быть отрицательной (УЭ контактирует только с n-областью) или совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто для включения симистора ток Iу подается с условного анода через токоограничительный резистор.

Условные графические обозначения тиристоров: а) диодный тиристор; б) и в) незапираемые триодные тиристоры с управлением по катоду и аноду; г) и д) запираемые триодные тиристоры с управлением по катоду и аноду; е) симметричный диодный тиристор; ж) симметричный триодный тиристор

Тиристоры применяются в электробытовой технике, в электромоторах и электроинструментах и т.д. Они также применяются в промышленности, в частности, в радиолокации, устройствах радиосвязи, в качестве управляемых переключателей и пороговых элементов и т. д.

Мощные высоковольтные тиристорные блоки позволяют получить мощность в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до нескольких килоампер.

Фототиристор – это полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n-структурой, включающийся под воздействием светового импульса.

Длительность светового импульса ~ несколько микросекунд. Излучение вводится через оптоволоконный кабель.

Для перевода фототиристора в открытое состояние необходимо, чтобы напряжение U между анодом и катодом превысило напряжение включения тиристора Uвкл, которое зависит от светового потока Ф.

Типичные значения Rоткр ~ 1 мОм, значения Rзакр ~ 108 Ом. Время переключения фототиристоров лежит в пределах 1–10 мкс.

Некоторые фототиристоры способны коммутировать токи до сотен ампер при напряжениях между анодом и катодом в десятки киловольт.

Фототиристоры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными тиристорами, которые управляются электрическими сигналами:

-управление импульсами света с возможностью передачи управляющего сигнала на большие расстояния;

-точный временной контроль включения группы приборов;

-высоковольтная гальваническая развязка между схемой управления и силовой цепью;

-стойкость к электромагнитным помехам;

-высокое быстродействие.

Фототиристоры способны работать при высоком уровне помех. Они применяются в качестве ключей высокого напряжения.

Они способны коммутировать сверхбольшие и короткие импульсы тока. Их можно использовать в качестве источников электромагнитных помех.