Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

1.3.Параллельное и последовательное включения диодов

На практике при отсутствии достаточной номенклатуры диодов по электрическим параметрам приходится применять их параллельное или последовательное включение.

Рассмотримусловияинеобходимостьпринятияспециальныхмер, требующихся при параллельном включении диодов (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 — Схема параллельного включения диодов

Вначале определим функционирование схемы (рисунок 1.9) в предположении, что сопротивления выравнивающих резисторов: Rв1 = Rв2 = 0. На графике (рисунок 1.10) приведены ВАХ двух параллельно включенных диодов VD1 и VD2.

21

1. ДИОДЫ

Специфическим свойством всех полупроводниковых приборов является отсутствие идентичности электрических параметров для одного типа любых приборов, что показано на графиках ВАХ (рисунок 1.10). В общем случае разброс параметров может быть значительным; в соответствии с нормативными документами состав-

ляет 0,3–0,4 В.

Вследствие нелинейности ВАХ различие в токах Iд1 и Iд2, протекающих через различные диоды, существенно. В общем случае может иметь место случай, когда Iд1 >> Iд2, что недопустимо. Очевидно, что обеспечения надежной работы выпрямителя с двумя диодами необходимо выполнение условия: DIд = (Iд1 – Iд2) ® 0.

Единственным способом выравнивания токов, протекающих через диоды, является введение выравнивающих резисторовR

иRв2– (рисунок 1.9). При этом, если выполняются условия Uв1 > Uдв11

иUв2 > Uд1, то величина DIд будет существенно меньшей. Иллюстрация принципа выравнивания токов при помощи выравнивающих резисторов показана на графиках (рисунок 1.11), где принято, что ВАХ резистора описывается линейной функцией Uв = IвRв.

Uд1 + Iд1Rв1 Uд2 + Iд2Rв2

Iд1

Iд2

U = Iд1Rв1

Uд1 + Iд1Rв1 = Uд2 + Iд2Rв2 Uд

Рисунок 1.11 — Иллюстрация выравнивания токов через параллельно включенные диоды

Графическое сложение этой функции с ВАХ диодов дает соответствующие две результирующие функции (Uд1 + Iд1Rв1) и (Uв2 + Iд2Rв2). Так как результирующие функции имеют меньший наклон относительно оси напряжений, то для этого графика величинаDIд по от-

22

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

ношению к данным графика, приведенным на рисунке 1.10, будет существенно меньше.

Очевидно, что увеличение сопротивлений выравнивающих резисторов приведет к дальнейшему снижению DIд. Однако увеличение сопротивлений приводит к снижению энергетической эффективности схемы выпрямителя. Поэтому подобный метод радикального выравнивания токов практически не применяется. Чаще всего используется эмпирический подход к выравниванию токов, который заключается в выполнении приближенного равенства Uв » (2–3)Uд.

Рассмотрим специфику выравнивания обратных напряжений при последовательном включении диодов (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 — Схема последовательного включения диодов

Вначале определим специфику работы подобной схемы при отсутствии выравнивающих резисторов Rв1 и Rв2. В этом случае ВАХ последовательно включенных диодов соответствует графикам, приведенным на рисунке 1.13.

23

1. ДИОДЫ

Так как при отсутствии резисторов обратные токи, протекающие через оба диода, соответствуют Iд1 = Iд2, то обратные напряжения, прикладываемые к диодам, будут равны Uобр1 и Uобр2. Практически неравенство этих напряжений в относительных показателях составляет несколько раз и более.

При введении выравнивающих резисторов в схеме происходят следующие процессы. Достаточно полное выравнивание обратных напряжений будет происходить при выполнении условий:

I в2 >> I д2.

Очевидно, что при выполнении этих условий получим Uв1 » Uв2, что соответствует выполнению равенства величин обратных напряжений на диодах.

На практике их выполнение обычно не вызывает затруднений. Но это относится лишь к диодам с p-n переходом, у которых обратные токи, как отмечалось выше, достаточно малы. Поэтому применение подобного метода выравнивания обратных напряжений широко. В частности, с его применением промышленностью выпускаются мощные и маломощные выпрямительные диодные сборки на максимально допустимые обратные напряжения 4–10 кВ.

1.4. Конструкции силовых диодов

Существуют различные конструкции силовых диодов. Они различаются друг от друга величиной мощности, которую может рассеять корпус диода при обязательном наличии теплоотвода, определяемой величиной среднего значения прямого тока, протекающего через диод. Конструкция диода должна обеспечивать достаточно малое тепловое сопротивление между корпусом диода и теплоотводом, чтобы температура кристалла не превышала максимально допустимой: Тпп = +125 оС. Однако в диоде существует дополнительное конструктивно заложенное при производстве внутреннее тепловое сопротивление между кристаллом и металлическим корпусом диода. Поэтому в нормативных документах указывается не макси-

24

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

мально допустимая температура кристалла, а максимально допустимая температура корпуса диода. Обычно из соображений обеспечения надежной работы диода она выбирается равной Ткорп = +85 оС. Выполнение этого условия осуществляют теплотводящие устройства различного вида. Очевидно, что габариты и вид теплоотвода существенно зависят от изменения температуры окружающей среды устройства, в которых эксплуатируются диоды. Для силовых диодов малой мощности применяют теплоотводы пассивного типа, реализованные в виде пространственно развитой металлической, обычно алюминиевой, черненой методами анодирования поверхности. Для большей мощности диодов в дополнительно к этой поверхности применяют вентиляторы. Выполнение норм требуемого теплового режима сверхмощных диодов иногда обеспечивается применением водяного охлаждения.

В специальных устройствах преобразования электрической энергии применяются силовые диоды, не имеющие металлического корпуса. В них полупроводниковый кристалл размещается на плоской поверхности бериллиевой керамики, теплопроводность которой приближается к металлической. Однако бериллиевая керамика является материалом высокой стоимости.

Эти обстоятельства определяют прямо пропорциональную зависимость габаритов корпуса диода от рассеиваемой им мощности.

На рисунке 1.14 показана конструкция силовых диодов малой мощности на максимальные прямые токи 3–5 А.

Рисунок 1.14 — Конструкция силовых диодов малой мощности

25

1. ДИОДЫ

Другой вариант силовых диодов малой мощности, рассчитанных на прямые токи 10–20 А, показан на рисунке 1.15. Как видно, габариты этих диодов больше, чем у предыдущих.

Рисунок 1.15 — Конструкция другого варианта силовых диодов малой мощности

Конструкция диодов на прямые токи в несколько сотен ампер показана на рисунке 1.16. Как видно, здесь увеличиваются не только габариты диода, но и используются более мощные его выводы.

Рисунок 1.16 — Конструкция варианта мощных силовых диодов

Существуют принципиально иные конструкции мощных диодов. Один из них — таблеточного вида — показан на рисунке 1.17. Здесь же для сравнения приведено изображение традиционной конструкции диода.

Подобные диоды применяются для пропускания прямых токов в несколько тысяч ампер.

26

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

За последнее время в области силовой полупроводниковой элементной базы намечается отход от традиционных видов конструкций их исполнения (рисунки 1.14–1.17). Находят широкое применение модульные конструкции мощных силовых полупроводниковых приборов. Они представляют собой один или несколько диодов, заключенных в пластмассовый корпус, а кристалл полупроводника размещен на металлической или иной теплопроводящей поверхности, которая вследствие большой площади может эффективно передавать тепло на радиаторы. Преимуществом таких модулей является низкая стоимость производства. Однако возникают проблемы с герметичностью модуля и допустимым диапазоном температур.

Пример одного из них приведен на фотографии рисунке 1.18. Как видно, эта конструкция принципиально отлична от предыдущих. Здесь габариты самого диода минимальны, он располагается на нижней металлической поверхности с малой теплопроводностью, которая передает тепло на соответствующий теплоотвод.

Диапазон преобразуемых токов при помощи подобных модулей лежит в пределах от десятков до нескольких сотен ампер.

Величины токов, которые используются в современных устройствах преобразования электрической энергии, лежат в диапазоне от нескольких ампер до нескольких тысяч ампер. Однако принципы их конструктивной реализации соответствуют в основном всем показанным на приведенных фотографиях.

27

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярные транзисторы наряду с диодами с самого начала появления полупроводниковых приборов нашли широкое распространение в самых различных областях электроники и послужили базовым элементом во многих аналоговых и логических интегральных микросхемах. Однако, как показал опыт разработки, применение биполярных транзисторов в силовых импульсных устройствах преобразования электрической энергии обладает рядом специфических свойств. На основании изучения этой специфики разработаны новые типы силовых биполярных транзисторов, обладающие радикально иными характеристиками по отношению к маломощным транзисторам. Кроме того, это же послужило появлению принципиально новых схемотехнических решений, которые могут обеспечить надежную и эффективную работу силовых преобразователей электрической энергии.

В настоящем разделе рассматриваются эти особенности работы биполярных транзисторов в режимах переключения относительно больших токов и напряжений.

2.1.Режим насыщения биполярного транзистора

Режим насыщения биполярного транзистора является основным, который применяется в импульсных преобразователях электрической энергии. Рассмотрим условия его существования и практической реализации, а также получаемые при этом преимущества и недостатки подобного режима. Существуют две стороны анализа рассматриваемых процессов. Первая из них заключается в изучении статического режима работы биполярного транзистора. Исследование временных процессов переключения биполярного транзистора служат второй стороной.

28

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Рассмотрим статические процессы работы транзистора в схеме с общим эмиттером, которая наиболее широко применяется в импульсных преобразователях электрической энергии (рисунок 2.1, а).

+Eп

К

Rпп

Э

Рисунок 2.1 — Схема включения биполярного транзистора (а) и эквивалентная схема транзистора в режиме насыщения (б)

Для нее основным показателем, определяющим степень усиления электрического сигнала, является коэффициент передачи базового тока:

где DIк — приращение тока коллектора при воздействии на вход транзистора скачка базового тока DIб.

Диапазон нормированных значений этого параметра для различных типов биполярных транзисторов лежит в широких пределах: от нескольких единиц до нескольких сотен. Так как коэффициент H21э является отношением выходного параметра транзистора к входному, то очевидно, что с энергетической точки зрения он становится коэффициентом усиления транзистора. Поэтому для снижения мощности управления транзистором желательно иметь H21э ® max.

29

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Режим насыщения биполярного транзистора заключается в том, что в базу транзистора подается избыточный ток, который требуется для полного его открывания. При этом вследствие избыточности тока в его полупроводниковой структуре накапливаются избыточные носители зарядов Qизб, которые смещают переход «база-кол- лектор» в прямом направлении. Так как биполярный транзистор имеет симметричную структуру, то эквивалентная схема биполярного транзистора с указанием полярностей напряжений имеет вид, показанный на рисунке 2.1,б. Учитывая это, выражение для напряжения коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения определяется:

где Uпп — падение напряжения на полупроводниковой структуре транзистора, то есть на сопротивлении Rпп (рисунок 2.1, б).

Если в силу симметричности структуры биполярного транзистора принять,что Uкб = Uбэ,товыражение(2.2)превращаетсявследующее:

Это свидетельствует, что в режиме насыщения падение напряжения на транзисторе всегда меньше, чем у полностью открытого транзистора. Показателем выполнения условия насыщения транзистора является степень насыщения [2]:

где Iб нас — насыщающий ток базы; Iк нас — ток коллектора в режиме насыщения.

При практических разработках силовых ключей обычно величина степени насыщения выбирается в диапазоне N = 2–3.

Специфическим свойством биполярных транзисторов является существенная зависимость коэффициента H21э от площади Sпп кристалла полупроводниковой структуры. Вместе с этим площадь кристалла пропорциональна допустимому максимальному току коллектора транзистора. Условная графическая зависимость коэффициента H21э от изменения максимального нормированного тока коллектора Iк max показана на рисунке 2.2.

30