Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Электрические машины»

Б.С. Сергеев

СИЛОВАЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Учебное пособие для аспирантов по направлению 13.06.01 — «Электро- и теплотехника» профиля «Силовая электроника»

B.S. Sergeev

POWER

SEMICONDUCTOR

ELEMENT BASIS

Study guide for postgraduate students of the area of study 13.06.01 — «Electrical and heating engineering» of Power Electronics profile

Екатеринбург

УрГУПС

2018

3

Введение

Спецификой инфраструктуры железнодорожного транспорта является наличие и широкое использование в ней мощных силовых преобразователей электрической энергии. Их основным функциональным свойством служит применение силовых полупроводниковых приборов.

Винформационных, в частности IT-системах, применяются

восновном интегральные микросхемы (ИМС), которые являются функционально и схемотехнически законченными элементами, применение которых не требует изучения протекающих в них электронных и электрических процессов. Проектирование подобных систем сводится к созданию систем из единичных модулей той или иной степени сложности для реализации соответствующих логических операций. Для возможности оптимального использования этих модулей в системах существуют соответствующие руководства по применению, содержащие формальные, в основном не электротехнические, а логические методы их соединения между собой для достижения заданной цели. Существуют лишь два типа полупроводниковых структур, положенных в основу промышленной реализации существующих ИМС, — биполярные и КМОП. Области их применения четко ограничены временными и энергетическими характеристиками проектируемых информационных систем и устройств.

Иначе дело обстоит в области силовой электроники в устройствах и системах преобразования электрической энергии. Здесь, кроме относительно маломощных схем управления, которые с натяжкой можно отнести к информационным электронным схемам, основными функциональными элементами являются силовые полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы и тиристоры различных видов и типов. Возможности их оптимального применения не могут быть оговорены формальными логическими принципами соединений приборов между собой, нагрузками внешними электротехническими или другими силовыми объектами.

4

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Существующие руководства по применению силовых полупроводниковых приборов оговаривают их нормативные электрические параметры и их предельные значения, которые необходимо выполнять для всех диапазонов мощностей, видов нагрузок, условий эксплуатации и видов силовых преобразователей электрической энергии. Количество полупроводниковых приборов чрезвычайно велико, в том числе и для преобразователей, применяемых на железнодорожном транспорте. Это в полной мере относится и к интеллектуальным силовым модулям, управляемым стандартными логическим сигналами, области применения которых в настоящее время расширяются. Современные интеллектуальные силовые модули функционально приближаются к стандартным логическим ИМС в части управления силовыми полупроводниковыми приборами.

Это обусловливает необходимость изучения процессов работы именно силовых полупроводниковых приборов, сравнения и выбора их типа для конкретных условий работы различных преобразователей электрической энергии. Только подобный анализ позволяет получить наилучшие энергетические, массогабаритные и экономические показатели разрабатываемых силовых устройств.

В этом заключается основная цель настоящего пособия, в котором рассматриваются диоды, транзисторы различных типов и тиристоры. Приводятся основные характеристики полупроводниковых приборов и выполнен их сравнительный анализ по возможностям оптимального применения в различных силовых импульсных преобразователях электрической энергии с точки зрения требований, предъявляемых при разработке и конструировании подобных устройств.

5

1.ДИОДЫ

1.1. Диоды с p-n переходом

Физические основы работы диода сp-n переходом основаны на взаимодействии в полупроводнике двух типов заряда — дырок и электронов. Диод представляет собой комбинацию двух полупроводниковых слоев с различными типами проводимости. Такая комбинация обладает способностью гораздо лучше пропускать ток одном направлении и гораздо хуже в другом [1, 2].

Электротехническая функция, выполняемая диодом, заключается в реализации свойства односторонней проводимости в структуре полупроводника. Это соответствует наличию у диода двух областей работы, показанных на вольтамперной характеристике (ВАХ) на графике (рисунок 1.1).

T = –40 °C T = 25 °C T = 85 °C

Область обратной проводимости

Рисунок 1.1 — Вольтамперная характеристика диода с p-n переходом

6

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Область прямой проводимости определяет протекание прямого тока iд через диод. Зависимость этого тока от прямого напряжения uд определяется выражением

где I0 — тепловой ток диода, отражающий его сильную температурную зависимость, равен нулю при Т = 0 К; jT — тепловой потенциал p-n перехода, зависящий от температуры, равен

где Т — температура p-n перехода в градусах Кельвина. Для комнатной температуры окружающей среды, равной 300К, получим,

что jT » 0,025 В.

При малых значениях jT и условии, что Uд >> jT, можно пренебречь единицей в выражении (1.1), и эта зависимость превращается в чисто экспоненциальную.

В связи с большой крутизной ВАХ в области прямой проводимости уравнение (1.1) целесообразно представлять в виде

В области обратной проводимости обратный ток, протекающий через диод, выражается уравнением [2]

где I0обр — начальное значение тока, соответствующее появлению обратного напряжения, подаваемого на p-n переход; rобр — сопротивление диода в области обратной проводимости, которое находится из справочных данных или определяется путем измерений.

Температурные изменения прямого падения напряжения на диоде, которые показаны на графике рисунке 1.1 в области прямой

7

1. ДИОДЫ

проводимости, нормируются температурным коэффициентом напряжения

который для кремниевых диодов: ТКН » 2,2 мВ/град Цельсия. Приведенные уравнения определяют статические характеристи-

ки кремниевого диода с p-n переходом.

Специфической особенностью диодов с p-n переходом является наличие негативных инерционных свойств, имеющих место при его переключении. Иллюстрация этого эффекта в схеме на рисунке 1.2, а показана на временных диаграммах на рисунке 1.2, б.

8

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Если на вход схемы рисунка 1.2, а подавать разнополярное прямоугольное переменное напряжение uвх, то процессы в схеме определяются временными диаграммами рисунка 1.2, б.

Интервал времени tрасс, называемый временем рассасывания избыточных носителей, обусловлен накоплением зарядов в его полупроводниковой структуре за интервал времени протекания через

него прямого тока I + = U вх+ . Если диод работает на активную нагруз-

где tд — эффективное время жизни зарядов в базе диода, определяющее процессы накопления и рассасывания зарядов в его полупроводниковой структуре.

Анализ показывает, что при заданном значении прямого тока I+ для уменьшения времениtрасс требуется увеличение обратного тока I–. Это положение широко применяется практически во всех схемах силовых импульсных устройств для повышения техникоэкономической эффективности работы выпрямителей [3].

Для любых диодов с p-n переходом существует закономерность, которая заключается в том, что увеличению площади кристалла соответствует возрастание значений времениtрасс. Например, диоды с максимально допустимым прямым током Iпр.max, составляющим единицы-десятки миллиампер, имеют фактическое значение

tрасс = 5–50 нс. В то же время у диодов, имеющихIпр.max = 10–50 А и более, время рассасывания составляет не менее 0,5–5 мкс. Оче-

видно, что это определяет тот факт, что более мощные диоды обладают большими величинами времени рассасывания tрасс в импульсном режиме работы.

В качестве иллюстрации можно привести такие примеры. Практические импульсные преобразователи электрической энергии с выходной мощностью в несколько десятков-сотен ватт имеют частоту преобразования десятки-сотни килогерц. В то же время преобразователи с преобразуемой мощностью в десятки-сотни киловатт и выше работают на частотах не более нескольких единиц килогерц.

9

1. ДИОДЫ

Длительность интервала времени tвыкл, показанного на временных диаграммах (рисунок 1.2,б), обычно соответствует неравенству tвыкл << tрасс и лежит в пределах единиц-десятков наносекунд. Это свойство является спецификой современных диффузионных импульсных диодов, которые применяются в силовой электронике. Его необходимо учитывать при разработке и конструировании электронных устройств и систем.

В устройствах силовой электроники наиболее типичными являются выпрямители, работающие на емкостную нагрузку. Одно из подобных устройств приведено на рисунке 1.3, а. Для него процессы выключения диода существенно меняются, что видно из временных диаграмм (рисунок 1.3, б).

Рисунок 1.3 — Схема выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы его работы (б)

10