ОСНОВЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1. Общие сведения о полупроводниках

Современную элементную базу преобразователей электрической энергии составляют силовые полупроводниковые приборы: низкочастотные и высокочастотные диоды и тиристоры, симметричные тиристоры, запираемые тиристоры, биполярные и полевые транзисторы, а также силовые полупроводниковые модули, представляющие собой комбинацию нескольких соединенных определенным образом приборов одного или разных типов. Особо следует выделить современные транзисторные и диодные модули, выполненные по интегральной технологии на основе транзисторов типа IGBT.

Полупроводниками называются вещества, удельное сопротивление которых может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с ростом температуры.

Типичными и широко применяемыми полупроводниками являются германий, кремний, теллур и другие из четвертой группы таблицы Д.И. Менделеева.

В полупроводниках имеются два типа носителей заряда: электрон проводимости (отрицательные носители зарядов) и дырка проводимости (положительные носители зарядов)

Соответственно рассматривают два типа электропроводности: электронную, обусловленную перемещением электронов и дырочную, обусловленную перемещением дырок.

В чистых полупроводниках (германий, кремний и др.) концентрация носителей зарядов – свободных электронов и дырок невелика.

Для снижения удельного сопротивления полупроводников и придания им определенного типа электропроводности – электронной, при преобладании электронов и дырочной, при преобладании дырок – в чистые полупроводники вносят определенные примеси (мышьяка, бора, фосфора, алюминия, индия и др.). Например, если взять кристалл германий и добавить к нему в качестве примеси крупинку индия, то получим германиево-индиевый кристалл, который имеет р – проводимость, а сам германий имеет n – проводимость. Между ними образуется переход p-n, который обладает ценным свойством пропускать ток только в одном направлении. Таким образом получаются германиевые вентили – полупроводниковые диоды.

Основное значение для полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости называют p-n переходом.

Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

На практике различают две категории полупроводников – полупроводник n-типа, с донорной примесью, потому что обладает избыточным числом электронов; полупроводник p-типа, с акцепторной примесью, поскольку имеет избыток дырок.

Принцип действия диодов, транзисторов и других приборов, так называемых, активных компонентов основан на свойствах полупроводниковых материалов.

1.2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется прибор, проводящий электрический ток преимущественно в одном направлении – от анода к катоду.

Рис.166

Такое направление называется прямым, при этом потенциал анода выше потенциал катода. Другое направление тока, от катода к аноду, считается обратным, и в этом случае потенциал анода ниже потенциала катода. Иными словами диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода рис. 166, а, б [6].

а Рис.167 б

Основные электрические свойства диода выражаются вольт-амперной характеристикой i_vd = φ( u_vd), показывающей зависимость тока через диодi_vd от приложенного к нему напряженияu_vd(рис. 167) при прямомi_пр = φ( u_пр) (первый квадрант ) и обратномi_обр= φ( u_обр) (третий квадрант) включениях.

Идеальным считается диод (ИД), обладающий нулевым сопротивлением для тока i_пр прямого направления и бесконечно большим сопротивлением для тока i_обр обратного направления, т.е. имеющей нелинейную характеристику, показанную на рис.167,а. При указанной характеристике возможно осуществить преобразование рода тока без потерь энергии в диоде и напряжения на нем. Прямой ток возникает в цепи диода при малой величине приложенного к нему прямого напряженияU_пр, так как диод не оказывает току сопротивления (r_пр= 0). В этом случае величина токаi_пр через диод не ограничена. При любой величине обратного напряженияU_обр тока через диод нет(r_пр= ∞).

Реальные диоды имеют отличную от идеальных вольт-амперную характеристику рис. 167, б. Поэтому процесс преобразования переменного тока в постоянный сопровождается потерями энергии и напряжения на диоде.

Диоды могут быть классифицированы по ряду признаков. Основным из них является характер проводимости, определяющийся средой, в которую помещены электроды диода. В современных электротехнических устройствах (ЭТУ) используются полупроводниковые диоды –германиевые, кремниевые, селеновые и др.

Основные параметры диодов.

1. Среднее значение прямого тока I_пр.

2. Максимально допустимый прямой ток I_пр max.

3. Среднее прямое напряжение U_пр, которое нормируется при определенном прямом токе (для кремниевых диодов 0,8...1,2 В, для германиевых 0,4...0,7 В).

4. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_обр.

5. Обратный ток диода I_обр, который нормируется при определенном обратном напряжении U_обр.

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Р_РАС – это средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях.

7. Максимально допустимая рабочая частота f_раб (единицы кГц...сотни и более кГц).

8. Собственная емкость диода С_Д (доли пФ...единицы пФ).

9. Допустимая рабочая температура – максимальная температура, допускающая продолжительную работу диода (для германиевых 70...80°С, для кремниевых –120... 150 °С).

Сопоставление параметров различных выпрямительных диодов дано в табл. 1.

Таблица 1.

Тип диода	Параметры
	Iпр мах, А	Uобр мах, В	Iобр, мкА	Межэлектродная емкость, пФ
Выпрямительный маломощный	0,1 – 1,0	200 – 1000	10 – 200	100 – 10000
Выпрямительный мощный	1 – 2000	200 – 4000	1000 – 5000	-
Выпрямительный импульсный	0,01 – 0,5	10 – 100	0,1 - 50	1,0 - 20

Промышленность выпускает диоды в виде отдельных металлических корпусов, диодных матриц, диодных сборок, диодных столбов, интегральных модулей.

На практике в настоящее время широко используются так же диоды Шоттки, которые имеют переход металл-полупроводник. У этих диодов мало прямое напряжение U_пр = 0,2...0,3 В и мало время переключения.

1.3. Тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя p-nпереходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения. Так как материалом для изготовления тиристоров служит кремний, то часто тиристор называют кремниевым управляемым вентилем, обладающим двумя устойчивыми состояниями равновесия: состоянием с низкой проводимостью и состоянием с высокой проводимостью. Переход из одного состояния равновесия в другое обусловлен действием внешних факторов – напряжения, света, температуры и др.

в г

Рис.168

Простейшим тиристором с двумя выводами (анод - катод) является диодный тиристор – динистор (рис.168, а). Триодный тиристор (тринистор) имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод - схема тиристора с управлением по аноду (рис. 168, б) и схема тиристора с управлением по катоду (рис. 168, в). Структурная схема триодного тиристора (VS) показана на (рис.168, г):

Рис. 169

Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя p-n переходами П1_, П2, П3 (рис.169, г).

Вольт - амперная характеристика тиристора приведена на рис. 169.

При отсутствии управляющего тока I_у (рис. 168,г) прямой ток тиристора мал и слабо возрастает с повышением прямого напряжения U_пр (кривая ОА на рис.169). Это объясняется тем, что переходы П1, П3 оказываются открытыми, а переход П2 - закрытым. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все питающее напряжениеU_пр приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Включение тиристора осуществляется лишь при некотором критическом значении, равном напряжению включения U_вкл (что достигается увеличением э.д.с. источника питанияЕ). Этому соответствует точка А на характеристике. В этой точке тиристор переходит из состояния низкой проводимости в состояние высокой проводимости. Данный процесс характеризуется резким снижением прямого падения напряжения U_прнаVS(а напряжение на резистореRвозрастает) и переходом на участок АБ. После пробоя (он не вызывает разрушения перехода П2) напряжение на VS снижается до значения порядка0,5...1 В. В дальнейшем, тиристор, находясь в состоянии высокой проводимости (кривая БВ), мало отличается от неуправляемого диода. Это означает, что при увеличении напряжения источника Е или уменьшении сопротивленияR нагрузки ток вVS нарастает в соответствии с вертикальным участком (кривая БВ) вольт-амперной характеристики.

Напряжение, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей в любой из слоев, прилегающих к переходу П2.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре, представленном на рис.168, г вводятся в слой p₂ вспомогательной цепью, питаемой от независимого источника напряжения. Если на управляющий переход подать напряжение U_у, то в этом случае по управляющей цепи будет протекать ток I_у. Этот ток обеспечивает переключение тиристора из одного состояния в другое (включение) осуществляется при прямом напряжении U_пр, меньшем U_вкл, как это показано пунктирными линиями на рис. 169.

Обычно к VS бывает приложено напряжение, которое меньше напряжения включения, а отпирание VS осуществляется путем пропускания тока в цепи управляющего электрода. Управляющий сигнал может иметь любую форму. В управляемых выпрямителях применяют обычно импульсные сигналы. При этом резко уменьшается мощность на управление. Если импульс управления обеспечил отпирание, то дальше тиристор уже не управляется и для запирания необходимо понижение анодного напряжения, чтобы ток VS стал меньше удерживающего тока.

При подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П1 и П3.Участок характеристики ОГ (рис.169) при обратном направлении приложенного напряжения сходен с обратной ветвью характеристики неуправляемых вентилей. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении (из-за теплового пробоя перехода) необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр max}.

Основные параметры тиристоров.

1. Напряжение включения U_вкл - прямое напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое (единицы...тысячи В).

2. Остаточное напряжение U_ост – напряжение, соответствующее открытому состоянию тиристора (1...2 В).

3. Ток включения I_вкл – прямой ток, при котором тиристор переходит в открытое состояние.

4. Ток выключения I_выкл – ток, ниже которого тиристор переходит из открытого состояния в закрытое состояние.

5. Время включения t_вкл (не превышает 1мкс).

6. Время выключения t_выкл – время, в течение которого тиристор успевает перейти из открытого состояния в закрытое состояние (10...20 мкс).