1.4. Тиристоры

1.4.1. Триодный тиристор (SRT).

Термин тиристор - Thyristor (от греческого thira - вход, дверь) объединяет большую и многообразную группу полупроводниковых приборов. Общим для всех из них является базовая четырехслойная полупроводниковая структура p-n-p-n образующая два электронно-дырочных перехода. Из основных и наиболее используемых в силовой электронике приборов в эту группу входят: триодный тиристор - Silicon Controlled Rectifier (SRT), запираемый тиристор- Gate Torn Off (GTO) и др. Структура триодного тиристора в упрощенном варианте и его схемное обозначение показаны на рис.7.

Триодный тиристор составляет группу полууправляемых полупроводниковых ключей. Это означает, его можно включить (при положительном напряжении между анодом и катодом) подачей сигнала на управляющий электрод, но отключение по управляющей цепи невозможно. Отключается триодный тиристор только при смене полярности анодного напряжения.

Выходная вольт-амперная характеристика u_AK=f(i_A) и вольт-амперная характеристика цепи управления u_У=f(i_У) приведены на рис.7.

u_У

1

3

4

(2)

2

(1)

u_AK

i_У1

5

б)

Рис.8.

Цепи управления представляет собой включенный в прямом направлении p-n переход. В силу этого управляющая цепи очень чувствительна к технологическому разбросу параметров прибора. На рис.8б показаны две предельные входные характеристики: 1-соответствует прибору с максимальным входным сопротивление при максимально допустимой температуре , 2 – с минимальным входным сопротивление при минимальной допустимой температуре

Заштрихованная область (5) на входной характеристике – зона недостаточных для включения тиристора значений i_У и u_У .

Кривые 3, 4 на рис.2б задают ограничения по допустимой мощности на управляющем электроде для управляющих импульсов большой длительности и коротких импульсов соответственно.

1.4.2. Симмистор

Симмистор или симметричный тиристор предназначен для регулирования напряжения и мощности в цепях переменного тока.

Структура, эквивалентная схема и условное графическое обзначение симмистора приведены на рис.9а,б,в соответственно.

Рис.7.

Выходная вольт-амперная характеристика сисмммистора дана на рис.5

1.4.3. Параметры и свойства тиристоров.

Достоинство тиристора в его малом прямом напряжении ( порядка 1,2 – 1,5 В для среднего диапазона напряжений). Высокая плотность тока, высокие коммутируемые напряжения.

Благодаря своим конструктивно-технологическим особенностям эти приборы обладают наивысшими по сравнению с другими предельными значениями коммутируемых напряжения и тока ( до 10 кВ. , 4500 А )

Недостатком триодного тиристора является невозможность выключения по управляющему электроду в схемах коммутации постоянного тока. Это требует использования схем принудительной коммутации.

Кроме того, для тиристоров присущи малые пределы частоты коммутации.

Тиристорные структуры в отличие от транзисторов чувствительны к dU/dt. Это требует введения в схему ограничителей роста –снабберов .

1.4.4. Полностью управляемые и комбинированные тиристоры.

Силовой триодный тиристор (SRT) на базе классической четырехслойной p-n-p-n структуры оставался практически единственным полупроводниковым прибором для преобразовательных устройств мощностью более 500 КВт [2]. Однако проблема коммутации в цепях постоянного тока ограничивает их применение этих приборов в инверторах и преобразователях частоты.

Основной недостаток триодного тиристора преодолен с помощью запираемого тиристора (Gate Torn Off –GTO). На сегодня основные статические параметры GTО сравнимы с таковыми для обыкновенных тиристоров. Условное графическое обозначение GTО показано на рис.9.

GTO решил проблему запирания SRT (коммутации) в преобразователях постоянного напряжения, но остальных не решает. Главный недостаток GTO – значительные токи управления ведет к необходимости создания громоздких и мощных блоков управления и передачи энергии на потенциал тиристоров[2]. Кроме того, прямое падение напряжения у GTO больше чем у традиционного тиристора.

С целью использования всех преимуществ тиристорной структуры и для устранения проблем управления ими возникли и активно развиваются гибридные структуры тиристор – МОП-управление. Одной из таких разработок является запираемый тиристор с МОП-управлением (МСТ – MOS-Controlled Thyristor) [Gate Control Thyristor (GST)]. В эту группу также входят:

MCT - MOS –управляемый тиристор;

FCT – тиристор с полевым управлением ;

MTO MOS-запираемый тиристор ;

EST – тиристор с переключающим эмиттером;

IGTT - запираемый тиристор с изолированным затвором;

IGT - тиристор с изолированным затвором;

GCT коммутируемый тиристор;

IGCT (Integrate gate-commutated thyristor) - коммутируемый тиристор с интегрированным управлением и др.

Многообразие ключей на основе тиристорной структуры объясняется тем, что она обладает изначальной способностью проводить большие токи с минимальными потерями.

Успешное развитие техники и технологии полупроводниковых силовых ключей может привести к полному замещению классических полупроводниковых приборов – триодных тиристоров и биполярных транзисторов.

1.5. Конструктивные особенности силовых полупроводниковых приборов.

Основные требования к корпусу силового прибора - минимальное тепловое сопротивление при минимальных габаритах, массе, стоимости, при обеспечении энерго- и термоциклоустойчивости. Наличие электрической изоляции также является важным для упрощения монтажа

Особенности конструкторской реализации силовых полупроводниковых ключей связано, прежде всего, с выделением большого количества тепла в полупроводниковой структуре. Для его эффективного отвода корпуса силовых приборов имеют массивные металлические, керамические или композитные основания и предусматривают надежный термодинамический контакт с охладителями (радиатора).

Выполнение этих требований обеспечивается оптимальной конструкцией в том числе прижимной, применением новых материалов и технологий таких как технологий на тонких кристаллах, технологий матричных композиционных материалов ( MMC – Metal Matrix Composite) и др.

MMC имеют высокую теплопроводность, что позволяет снизить до минимума напряженности в конструкции, хороший теплоотвод при обеспечении электрической изоляции. На базе этой технологии разработаны интеллектуальные силовые модули (выпрямитель – инвертор) мощность до 100 кВТ.

Применение интегрированного жидкостного охлаждения позволяет почти в четыре раза увеличить отводимую рассеиваемую мощность в сравнении с традиционной структурой воздушного охлаждения.

Прижимная (таблеточная) конструкция (рress-pack technology) с двухсторонним охлаждением через молибденовые термокомпенсаторы (“Toshiba”). Тепловое сопротивление кристалл- окружающая среда (< 0,01 K/Вт ) на порядок меньше чем у односторонней конструкции. При этом значительно улучшена надежность и термоциклоустойчивость и надежность.

Наибольшее распространение получили два вида конструкции корпусов: штыревой и таблеточный (рис. 10 а, б).

Дискретные приборы в корпусах ТО-220 и ТО-247 (“Fullpak”) имеют паянную конструкцию с односторонним теплоотводом через массивное медное основания, используется DCB –керамика. Корпуса этого типа изготавливаются массово и имеют низкую стоимость в расчете на 1А номинального тока максимальное значение рабочего тока 70 А.

2. СРАВНЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Итоговые сравнительные характеристики различных типов силовых полупроводниковых приборов приведены в таб.1 [3].

Таблица 1.

Параметр	Биполярный транзистор (Сх. Дарлингтона)	МОП- Транзистор (MOSFET)	БТИЗ (IGBT)	Тиристор (SRT)	Запираемый Тиристор (GTO)	Тиристор С МОП-управлением (MCT)
Uмах (B)	1200	500	3500	10000	4500	1000
Iмах(A)	800	50	1500	4500	3000	50
ΔU(В)	1,9	3,2	3,2	1,9	4,0	1,1
fмах(Гц)	10 000	100 000	50 000	400	2 000	20 000

Свойства и характеристики приборов силовой электроники определяют распределение диапазонов их применения. Рис.11. иллюстрирует распределение мощностно-частотного диапазона между основными типами приборов [3].

Области применения основных видов полупроводниковых приборов на сегодня распределились следующим образом [3] :

Триодные тиристоры (SRT) сегодня используются в преобразователях большой мощности (свыше 1 МВА). На них строятся управляемые выпрямители, ведомые (сетью) инверторы, преобразователи частоты с непосредственной связью применяемые для:

- линий электропередач постоянного тока;

- мощных статических компенсаторов реактивной мощности;

-технологических цепей (электролиз, гальваника, плавка;)

- высоковольтных регулируемых электроприводов.

Запираемые тиристоры (GTO)имеют преимущественное использование на мощностях в сотни кВА, в преобразователях для:

- тягового и технологического электропривода переменного тока;

- преобразователях для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных);

- мощных систем бесперебойного питания;

-статических компенсаторов реактивной мощности.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором сегодня применятся в преобразователях мощностью до единиц МВА для:

- электроприводов переменного тока;

-систем бесперебойного питания;

-статических компенсаторов и активных фильтров;

- мощных источников питания;

-преобразователей для сварки, индукционного нагрева, ультразвуковых установок.

МОП–транзисторы применяются в высокочастотные преобразователи (сотни кГц), ключах постоянного тока, низковольтных (до 200В) преобразователи для:

- ключевых источников питания;

- приводов вентильных двигателей;

-электронных ключей постоянного тока;

-компактных систем бесперебойного питания.

Типовое распределение применения силовых приборов в зависимости от мощности и частоты в различных областях применения приведено на рис. 12-15.[4] В частности на рис.8 показано применение приборов в преобразователях для регулировании скорости двигателей постоянного тока.

60Гц 3кГц 5кГц 20кГц 50кГц

На рис.9. дано распределения их использования в преобразователях частоты для регулирования скорости двигателей переменного тока.

Рис.10 иллюстрирует типовое распределение частотно-мощностного диапазона применения приборов в ключевых источниках питания.

Использование силовых приборов в источниках бесперебойного питания в зависимости от мощности и частоты показано на рис.11.

60кГц 2кГц 4кГц 10кГц 20 25кГц 50кГц

Сегодня MOSFET и IGBT , силовые интегральные схемы и модули на их основе вытесняют практически из всех областей тиристоры, биполярные транзисторы и GTO., т.к. при тех же коммутируемых токах и напряжениях (до 3,5 кВ, 1200А) они имеют:

- значительно меньшие мощности управления;

- время коммутации;

-стойкость к перегрузкам по току и по напряжению;

-более широкую область безопасной работы ограничена только температурой кристалла, а у БПТ она ограничена еще и эффектом вторичного пробоя) следствие этого

-более высокие частоты коммутации (до 50кГц) ;

- простота и меньшие мощности драйверов и снабберов.

По прогнозам IGBT полностью заменит биполярный транзистор и GTO в преобразователях до единиц МВА [5].В области малых мощностей и низковольтных преобразователях будут доминировать MOSFET. Для GTO остается область больших мощностей. МСТ ( MOS-GTO) из-за технологических трудностей и высокой цены заменить GTO пока не способны.