Силовые полупроводниковые приборы и пассивные элементы

Энергетические и массогабаритные показатели силового оборудования обеспечиваются выбором принципа действия, схемы, элементной базы и режимов работы преобразователей. Основу элементной базы составляют полупроводниковые структуры и приборы (диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроны, варисторы). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы) применяются для задания условий и режимов работы полупроводниковых приборов, а также в составе отдельных простых преобразователей (частотных фильтров, устройств управления).

Особенности структуры и режимов работы силовых полупроводниковых приборов в энергетических преобразователях связаны с требованием получения высокого КПД. Это приводит к эксплуатации приборов в режимах, близких к предельно допустимым значениям токов и напряжений. Работа при больших уровнях сигналов связана с необходимостью использования для анализа сложных нелинейных моделей, построенных на основе имеющихся в технических условиях параметров максимальных режимов.

Выпрямительные диоды служат для преобразования приложенного переменного напряжения в пульсирующий ток за счет нелинейности вольтамперной характеристики. Мощные силовые диоды, как правило, имеют p⁺-n структуру (изготовлены на основе кремния с электропроводностью n-типа) и работают в диапазоне частот от 50Гц до 20кГц.

Основными параметрами силовых диодов являются: максимально допустимое значение прямого тока – I_mпр; допустимое значение прямого импульсного тока – I_{пр и}; прямое напряжение открытого диода – U_пр при I_mпр; максимально допустимое значение обратного напряжения – U_обр; максимальное значение обратного тока – I_{m обр}.

Типовые значения прямого тока силовых диодов лежат в пределах от единицы до тысячи ампер при прямом напряжении около одного вольта и они допускают обратные напряжения от сотен до тысячи вольт.

Биполярные транзисторы (БТ) представляют собой полупроводниковые приборы, осуществляющие управление большим выходным током коллектора с помощью малого тока базы.

Силовые транзисторы работают в ключевом режиме, характеризуемом быстрым переходом из состояния насыщения с большими токами в состояние отсечки с высоким обратным напряжением. Во время процессов переключения (перехода из одного состояния в другое) транзистор работает в активном режиме с большими уровнями напряжений и токов. Это определяет основные требования к параметрам транзисторов:

• большой ток коллектора I_к (от единицы до сотен ампер);

• малое напряжение насыщенного транзистора U_н (доли вольта);

• высокое пробивное напряжение U_{кэ max} (от сотен до тысячи вольт);

• малое время переключения t_п (единицы миллисекунд).

Транзисторная структура, удовлетворяющая указанным условиям, имеет большие площади сечения базовой и коллекторной областей при малой ширине базы (рис.12.4,а).

Для увеличения коэффициента усиления  используют структуру составного транзистора (рис.12.4,б). Из эквивалентной схемы (рис.12.4,в) несложно получить соотношение  = ₁  ₂, где ₁, ₂ – коэффициенты усиления тока транзисторов Т₁ и Т₂ .

Для достижения больших значений рабочего тока применяют многоэмиттерные транзисторы, содержащие несколько узких длинных эмиттерных полосок, расположенных внутри единой базовой области (рис.12.4,г). В такой конструкции общая коллекторная область суммирует все приходящие токи (рис.12.4, д).

Рис. 12.4. Структуры силового биполярного транзистора (а), структура составного транзистора (б), его схема (в), параллельная структура (г) и схема (д)

Выбор типа транзистора при предельно допустимом сочетании параметров производится с использованием приведенного в технических условиях графика безопасной работы, который построен на основе выходных характеристик транзистора с учетом тепловых режимов. Особенностью работы силовых биполярных транзисторов в предельных режимах является возможность его саморазогрева за счет положительной электротепловой обратной связи, образующейся вследствие увеличения тока при повышении температуры. В режиме переключения транзистор потребляет мощность в основном во время работы в активном режиме при отпирании и закрывании.

Биполярные транзисторы с небольшим коэффициентом передачи тока потребляют сравнительно большую энергию по базовой цепи

Указанный недостаток устранен в приборах, имеющих два устойчивых состояния, которые сохраняются при снятии входного сигнала, т.е. без затрат энергии по цепи управления. Биполярный прибор, предназначенный для переключения (коммутации) тока и называемый тиристором, содержит три взаимодействующих p-n перехода в черырехслойной p₂ - n₂ - p₁- n₁ структуре (рис.12.5,а).

Рис. 12.5. Структура (а), эквивалентная схема (б), характеристики (в) и обозначение тиристора (г)

Для получения статической характеристики тиристора его структуру удобно представить условно разделенной на две части, которым соответствуют транзисторы Т₁ и Т₂ на эквивалентной схеме (рис.12.5,б). Анализ процессов с помощью эквивалентной схемы позволяет получить зависимость тока I через переходы от напряжения U между внешними выводами катода (К) и анода (А).

При положительном напряжении на катоде переходы n₂ - p₂ и n₁-p₁ смещены в прямом, а переход n₂ - p₁ – в обратном направлении, что определяет весьма малый ток закрытого перехода I_к0 через прибор. Указанная полярность приложенного напряжения обеспечивает активный (усилительный) режим транзисторов Т₁ и Т₂, для которого справедливы соотношения и . Из эквивалентной схемы можно записать и с учетом несложно получить выражение для тока . Характеристика структуры зависит от приложенного напряжения U вследствие α₁ и α₂ от напряжений и токов переходов. Если приложенное положительное напряжение невелико, то коэффициенты передачи близки к нулю и рост напряжения приводит к небольшому увеличению тока. При существенном увеличении напряжения наблюдается достаточно быстрый рост α₁ и α₂, так что их сумма приближается к единичному значению . При напряжении U = U_л происходит лавинообразный рост тока, отображаемый на характеристике участком I_л  I  I_н с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.12.5,в). Увеличение тока снижает потенциальный барьер среднего перехода и при значении I_н все переходы оказываются смещенными в прямом направлении. При этом общее напряжение U_н складывается из напряжений насыщения на открытых переходах. Изменение полярности приложенного напряжения практически дает значение обратного тока перехода I  I_к0 вплоть до электрического пробоя перехода при напряжении U = U_пр.

Прибор, управляемый напряжением, приложенным к двум внешними электродам, называется диодным тиристором или динистором. Его включение (перевод в проводящее состояние) осуществляется приложением прямого напряжения U > U_л. Установившееся значение тока, определяемое восходящей ветвью характеристики при U  U_л, может быть слишком большим и обычно прибор переводится в проводящее состояние и затем устанавливается ток при меньших значениях напряжения. Выключение прибора можно осуществлять подачей обратного напряжения (противоположной полярности) или снижением тока до I < I_л.

Уровень переключения тиристора можно изменять подачей тока через специально сформированный электрод, контактирующий с областью р₁ (рис.12.5,г). Ток управляющего электрода I_у1 складывается с током коллектора T₁, что увеличивает ток через переход и снижает напряжение срабатывания U_А1 (рис.12.5,в). При напряжении U < U_л тиристор можно перевести в проводящее состояние с помощью импульса тока управления I_у. После снятия сигнала управления тиристор останется во включенном состоянии.

Существует несколько структур тиристоров, обладающих различными свойствами и характеристиками. Среди них следует упомянуть симметричные тиристоры (симисторы) и запираемые тиристоры, которые включают и выключают с помощью импульсов тока управления различной полярности.

К недостаткам тиристоров следует отнести относительно низкое быстродействие, обусловленное большим временем выключения. Большинство групп тиристоров обладает ограниченной управляемостью, выражающейся в возможности отпирания по маломощной цепи управления, а запирания – по силовой цепи. Возможность отпирания с помощью коротких импульсов напряжения снижает помехоустойчивость устройств с тиристорами.

В непрерывных и импульсных энергетических преобразователях нашли применение мощные полевые транзисторы. В отличие от биполярных приборов, управляемых с помощью входного тока, в полевых транзисторах для управления выходным током служит входное напряжение. Наибольшее распространение получили полевые транзисторы, имеющие структуру "металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП). На полупроводниковой подложке р-типа формируются области n⁺-типа с металлическими выводами стока (с) и истока (и), между которыми помещен металлический затвор (з), изолированный от подложки тонким слоем диэлектрика из окиси кремния (рис.12.6,а).

Рис.12.6. Полевые транзисторы с параллельной структурой (а), вертикальными каналами (б) и датчиком тока (в)

Для коммутации значительных токов преимущественно используются МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа. Относительно высокое сопротивление канала (доли Ома) приводит к большому падению напряжения в открытом состоянии. Сопротивление проводящего канала пропорционально его длине. Для уменьшения прямого падения напряжения прибор изготавливают с коротким каналом, который обеспечивает высокую крутизну g_m проходной характеристики в линейном режиме i_с = g_m u_з.

Увеличение допустимого значения выходного тока (стока) достигается за счет параллельного соединения отдельных структур, что приводит к увеличению габаритов прибора, а также возрастанию значений межэлектродных емкостей, снижающих быстродействие и вызывающих рост потребления при переключении. Уменьшение площади, занимаемой прибором, достигается за счет использования V- образных структур с вертикальным расположением каналов (рис.12.6,б).

МДП транзистор обладает существенной зависимостью параметров от температуры. Рост температуры прибора приводит к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока, что обеспечивает высокую теплостойкость устройства. Для обеспечения системы регулирования температуры и защиты приборов МДП транзисторы снабжаются встроенными датчиками тока. Конструктивно одну из множества параллельных ячеек в структуре транзистора выделяют под датчик тока и снабжают ее дополнительным выводом (рис.12.6,в).

Полевые транзисторы используются в силовых преобразователях для коммутации больших токов при не слишком высоких напряжениях. Повышение допустимого напряжения требует расширения стоковой области n⁺-типа, что ведет к увеличению сопротивления открытого транзистора. Достоинствами прибора является весьма малое потребление по цепи управления, очень большой коэффициент усиления тока и простота сопряжения с параметрами управляющих логических элементов.

Совершенствование технологии привело к созданию комбинированной структуры, содержащей силовой биполярный и управляющий КМОП транзисторы (12.7,а). В типичную структуру p⁺ - n ^–- p⁺ силового биполярного транзистора введена область n⁺, которая совместно с областями n ^–, p⁺ и поликремниевым затвором образуют управляющий полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа.

Рис. 12.7. Структура (а), схема (б) и обозначение (в) БТ с изолированным затвором

Ток стока МОП транзистора является током базы силового транзистора T₁ (рис.12.7,б). Управляемость улучшается за счет образовавшегося в структуре транзистора T₂, который вместе с T₁ образует составной транзистор. В целом структура обеспечивает весьма большой коэффициент усиления тока, благодаря соединению полевого транзистора с составным биполярным транзистором.

Прибор (рис.12.7,в) с приведенной комбинированной структурой, называется биполярным транзистором с изолированным затвором или IGBT прибором (Insulated Gate bipolar Transistor). В нем объединены преимущества полевых транзисторов (совместимость по уровням управления с цифровыми логическими элементами, очень большое входное сопротивление) с достоинствами силовых биполярных транзисторов (малое выходное сопротивление, большие значения коммутируемых токов при высоких напряжениях). Производятся IGBT приборы с широкой номенклатурой параметров в виде отдельных изделий или в составе силовых блоков, оснащенных системами контроля и управления.

Пассивные компоненты, применяемые в силовых устройствах, работают при больших токах и высоких напряжениях, что обусловило специфику их параметров и конструктивного исполнения.

Р е з и с т о р ы по принципу действии являются преобразователями электрической энергии в тепловую, которая рассеивается в окружающем пространстве. В мощных высокоэффективных преобразователях резисторы применяются в случаях крайней необходимости для регулирования и ограничения тока, гашения избыточной мощности, задания интервалов времени, а также вместе с конденсаторами в фильтрах маломощных источников электропитания. В сильноточных блоках при низкой частоте используются проволочные резисторы, имеющие высокую надежность при работе в широком температурном диапазоне.

К о н д е н с а т о р ы применяются в большинстве силовых блоков (в составе стабилизаторов и фильтров, во времязадающих цепях). Конденсаторы энергетических устройств находятся под одновременным воздействием постоянного и переменного (пульсирующего) напряжений. К основным параметрам силовых конденсаторов следует отнести номинальную емкость и ее отклонения в условиях эксплуатации, номинальное напряжение, реактивную мощность в заданном диапазоне частот, тангенс угла потерь, характеризующий рассеяние энергии внутри конденсатора, которое приводит к разогреву прибора.

Лучшими удельными параметрами обладают электролитические конденсаторы, имеющие наибольшую емкость при заданном объеме и допустимом напряжении. Большинство выпускаемых типов электролитических конденсаторов рассчитано на работу при однополярном напряжении. Кроме того, они имеют достаточно высокий уровень потерь и большую инерционность, что ограничивает их использование в низкочастотных устройствах. При высокой частоте преобразования применяют различные типы керамических конденсаторов.

И н д у к т и в н ы е к а т у ш к и с ферромагнитными сердечниками (дроссели) нашли широкое применение в силовых устройствах для сглаживания кривой тока и в качестве накопителей энергии в импульсных преобразователях. Индуктивность дросселя можно оценить с помощью соотношения , где N – число витков дросселя; s, l – сечение и длина магнитопровода; μ _ц – относительная магнитная проницаемость при перемагничивании по частному циклу. В сглаживающих фильтрах через обмотку дросселя наряду с переменной составляющей проходит постоянный ток, приводящий к смещению рабочей точки на кривой В(Н), что может привести к насыщению материала. При этом относительная магнитная проницаемость снижается и может приближаться к единичному значению, когда применение сердечника неэффективно.

Для снижения влияния подмагничивания на параметры дросселя ферромагнитный сердечник изготавливается с немагнитным (воздушным) зазором. Наличие зазора длиной δ с проницаемостью μ = 1 можно интерпретировать как изменение относительной магнитной проницаемости материала сердечника μ _с. При малой длине зазора δ << l и высокой проницаемости материала μ >> 1 для оценки эквивалентной проницаемости сердечника можно воспользоваться соотношением

.

На основе полученной формулы дроссель с малым зазором представляют линейной индуктивностью . Производство дросселя с большим значением индуктивности требует изготовления сердечника с весьма малым зазором, что приводит к снижению стабильности характеристик при изменении температуры вследствие вариации длины зазора при разогреве сердечника.

Т р а н с ф о р м а т о р – это прибор, в котором передача электрической энергии осуществляется посредством магнитной связи между обмотками без непосредственного (гальванического) контакта. В силовой аппаратуре трансформаторы применяются для преобразования уровней переменных (преимущественно синусоидальных) напряжений и токов. Параметры трансформатора влияют на основные показатели энергетических преобразователей (выпрямителей, инверторов) и систем электропитания. Габариты и масса трансформатора в большинстве приложений практически определяют аналогичные параметры преобразователя в целом. В свою очередь характеристики и параметры трансформатора зависят от множества схемных и конструктивных факторов.

Трансформатор представляет собой нелинейное электротехническое устройство, анализ процессов в котором связан с решением достаточно сложной электродинамической задачи. С целью выявления особенностей силовых трансформаторов кратко рассмотрим наиболее общие подходы к их описанию и выбору компонентов. Конструктивные параметры трансформатора выбирают из условия передачи заданной мощности с учетом обеспечения допустимого перегрева при минимальных габаритах.

В соответствии с принципом действия передача мощности между обмотками трансформатора осуществляется с помощью магнитного потока, сконцентрированного в магнитопроводе, на котором размещены обмотки. Характеристики трансформатора во многом определяются типом и материалом ферромагнитного сердечника (магнитопровода), применяемого с целью концентрации магнитного потока и увеличения магнитной связи между обмотками. Для изготовления сердечников трансформаторов используются различные виды материалов (электротехнические стали, пермаллои, ферриты, магнитодиэлектрики) с отличающимися кривыми намагничивания. Важной характеристикой материала является индукция насыщения B_m, определяющая максимальное значение магнитного потока Φ_m сечением s_с. Магнитный поток создается приложенным входным переменным сигналом и зависит от действующего значения напряжения U₁, частоты f и числа витков N₁ первичной обмотки

.

Действующее значение выходного напряжения можно оценить с использованием коэффициента трансформации, определяемого отношением числа витков первичной и вторичной обмоток . Очевидно, что передаваемая в нагрузку мощность, падения напряжений на сопротивлениях обмоток и КПД трансформатора зависят от токов в обмотках. Входной ток трансформатора обычно представляют суммой тока в режиме холостого хода (при разомкнутой вторичной обмотке) и составляющей, обусловленной влиянием нагрузки. В режиме холостого хода трансформатор можно рассматривать как катушку с ферромагнитным сердечником, расчет которой позволяет определить ток холостого хода, являющийся паспортным параметром трансформатора.

Энергетические параметры трансформатора можно проанализировать на основе баланса мощностей, который учитывает мощности подводимую P₁, передаваемую в нагрузку P₂ и суммарные потери, которые складываются из потерь в обмотках и магнитопроводе. Перемагничивание сердечника при прохождении токов по обмоткам сопровождается потерями. Энергия потерь в обмотках и магнитопроводе переходит в тепло, которое частично рассеивается в окружающем пространстве и вызывает нагрев элементов конструкции.

Падение напряжения в проводниках обмотки и потери мощности зависят от плотности тока, которую обычно принимают J_ср ≤ 4…5 А/мм². Допустимая плотность тока и суммарное число витков обмоток N_Σ определяют площадь окна сердечника s_м, в котором размещены обмотки. Габаритные размеры трансформатора принято оценивать соотношением

,

где k – коэффициент, учитывающий конструктивные параметры.

Для стандартных типоразмеров сердечников при заданной частоте f по произведению s_с· s_м несложно выбрать сердечник, обеспечивающий требуемую мощность трансформатора. При заданной мощности трансформатора снижение габаритов достигается при увеличении частоты преобразования. В устройствах, работающих непосредственно от сети промышленной частоты f = 50 Гц, силовые трансформаторы имеют значительные габариты. В автономных источниках электропитания используется частота сети 400 Гц или 1 кГц. Для уменьшения габаритных размеров трансформаторов и дросселей в инверторах применяются генераторы повышенной частоты (более 10 кГц). Снижение потерь достигается применением сердечников на основе ферритов и магнитодиэлектриков.

Силовая электронная аппаратура наряду с приведенными основными элементами содержит достаточно большой перечень устройств, обеспечивающих электробезопасность, защиту от перегрузок и другие функции.