Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

4.2. СИТ

Особой разновидностью полупроводниковых приборов являются транзисторы со статической индукцией (СИТ или БСИТ). Это полевые транзисторы с изоляцией затвора при помощи p-n перехода. Условное обозначение транзистора и функциональная характеристика, поясняющая принцип его действия, приведены на рисунке 4.4, а и б.

Рисунок 4.4 — Условное обозначение СИТ (а) и его функциональная характеристика (б)

Функциональная характеристика показывает зависимость сопротивления сток-исток Rси транзистора от изменения его входных параметров — напряжения затвор-исток Uзи и тока затвора Iз. Как видно из графика (рисунок 4.4), этот прибор является нормально открытым транзистором. При отсутствии на затворе электрического сигнала его сопротивление равно Rси0. Если на затвор будет подано увеличивающееся от нуля в сторону отрицательных значений напряжение, то транзистор выключится и при достижении значения Uзи0 его сопротивление станет достаточно большим [3].

Если на затвор подать положительное напряжение, то p-n переход транзистора откроется и появится ток затвора Iз. Увеличение его приводит к уменьшению сопротивления Rси. При достаточно большом токе Iз оно станет достаточно малым, равнымRси min. Это соответствует полностью открытому состоянию транзистора. В существующих СИТ сопротивление Rси min составляет десятые доли Ома.

61

4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Значит, такой транзистор имеет два режима работы. Первый соответствует полевому режиму работы и характеризуется изменениям сопротивления от Rси0 до полностью запертого состояния. Второй режим соответствует биполярному режиму работы и характеризуется уменьшением сопротивления сток-исток до минимума.

Основные достоинства СИТ:

—возможность получения высоких допустимых напряжений сток-исток (порядка нескольких киловольт) по отношению

ктрадиционным МОП;

—малое напряжение сток-исток в биполярном режиме, соот-

ветствующее сотым долям Ома сопротивления Rси при токах стока 10–20 А и более;

—более низкое значение остаточного тока стока по отношению

кМОП-транзисторам;

—более высокое быстродействие по отношению к биполярным транзисторам за счет уменьшения времени выключения.

Специфической особенностью СИТ, затрудняющей его применение в импульсных силовых устройствах, является его нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала. Тривиальным решением вопроса начального запирания СИТ было бы создание опережающего отрицательного электрического сигнала, поступающего, например, от дополнительного источника, в качестве которого может выступать заранее заряженный конденсатор. Однако это не является единственным и оптимальным решением вопроса [3].

Применяются и другие способы реализации начального запирания СИТ. Они основаны на том, что в первоначальный короткий момент времени появляющийся ток стока, определяемый сопротивлением Rси0, через связь обмоток трансформатора силового ключа приводит к появлению отрицательного напряжения на затворе. Этим обусловливается дальнейшее запертое состояние СИТ.

Одна из схем, реализующая этот принцип, приведена на рисун-

ке 4.5.

При включении напряжения Еп ток стока, появляющийся вследствие нормально открытого состояния СИТVT1 и протекающий по обмотке w1 силового трансформатора TV, приводит к появлению напряжения на управляющей обмотке wупр. Оно форсированно заряжает конденсатор С полярностью напряжения, запирающей VT1. После саморазряда С процесс включения повторяется и далее происходят аналогичные процессы.

62

63

5.ТИРИСТОРЫ

Тиристоры являются особым видом полупроводниковых приборов, которые радикально отличаются от описанных выше транзисторов. Отличие заключается в том, что тиристоры являются не полностью управляемыми импульсными полупроводниковыми приборами и предназначены для работы только в импульсном режиме работы. Это определяет специфику разработки схем, применения и получения ряда преимуществ импульсных преобразователей электрической энергии, в которых в качестве силовых ключей применяются не транзисторы, а тиристоры.

5.1. Принцип действия тиристоров

Принцип неполной управляемости тиристора иллюстрируется схемой простейшего тиристорного ключа (рисунок 5.1, а) и временными диаграммами его работы (рисунок 5.1, б).

Как видно из временных диаграмм, после подачи на вход короткого импульса тока Iупр управляющего электрода тиристор VS включается и остается во включенном состоянии и после окончания действия этого импульса. То есть далее тиристор остается включенным и неуправляемым. Для его выключения требуется в некоторых случаях применение специальных схемотехнических или других мер.

Рассмотрим принцип работы тиристора, определяющий регенеративный процесс его включения и возможности реализации выключения тиристора. Это может быть показано анализом работы транзисторной эквивалентной схемы тиристора (рисунок 5.2).

64

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Рисунок 5.1 — Схема простейшего тиристорного ключа (а) и временные диаграммы его работы (б)

К

Рисунок 5.2 — Транзисторная эквивалентная схема тиристора

При подаче импульса тока iупр, который служит базовым током iб1 транзистора VT1, появляется ток коллектора iк1. Так как iк1 = iб2, то это обусловит появление тока коллектораiк2 транзистора VT2, для которого iк2 = iб1. Это вызывает регенеративный необратимый процесс включения обоих транзисторовVT1 и VT2 и дальнейшее нахождение их во включенном состоянии.

65

5. ТИРИСТОРЫ

Принципиально выключение тиристора может быть реализовано введением показанной пунктиром электрической цепи с контактом S. При замыкании контакта S ток анода iа тиристора будет протекать не через транзисторы схемы, а через контакт S, чем исключается протекание всех токов через транзисторы VT1 и VT2, вследствие чего тиристор выключается.

Но подобная схема применима лишь для иллюстрации рассмотрения электрических процессов выключения тиристора и на практике обычно не применятся. Существуют более удачные схемотехнические решения. Кроме того, в некоторых случаях, например, при работе тиристорной схемы от переменного напряжения, специальных мер по выключению тиристора не требуется. Это показано на приведенных далее примерах практического применения тиристора в схемах преобразования электрической энергии.

Применяются на практике тиристоры с выключением по управляющему электроду. В этих тиристорах в базу транзистора VT1 (рисунок 5.2) должен подаваться достаточно мощный импульс тока обратной полярности, который вызовет запирание этого транзистора и последующее выключение тиристора.

Существуют также симметричные тиристоры, которые состоят из двух параллельно включенных обычных тиристоров. Они предназначены для двухполупериодной работы с переменными напряжениями и обладают двухсторонней проводимостью. Они называются симисторами.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) тиристора имеет вид, приведенный на рисунке 5.3.

66

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Анализ ВАХ показывает, что при отсутствии импульса токаiупр повышение напряжения Uак приводит к его самовключению, когда оно достигает величиныUак max. То есть тиристор теряет свои управляющие свойства по управляющему электроду. Это является аналогом эффекта самооткрывания биполярного транзистора при Rб = Ґ, описанного в разделе 2. Появление малого тока управляющего электрода, показанного на ВАХ как Iупр > 0, обусловливает включение тиристора при меньших значениях напряжения Uак. Появление в практических схемах небольшого тока iупр может быть вызвано многими причинами. Одна из них заключается в наличии, как

ив биполярном транзисторе, обратных токовp-n переходов полупроводниковой структуры. Вторая причина обусловливается существованием в силовых схемах всяческого рода паразитных наводок

ипомех, которые, в силу быстродействия тиристора по управляющему электроду, могут вызвать его необратимое включение. Для исключения влияния этих эффектов в схемах тиристорных ключей необходима установка сопротивления, шунтирующего электроды.

Принцип его действия аналогичен воздействию резистора Rб в схеме, приведенной на рисунке 2.6, показанного как сопротивление в цепи базы биполярного транзистора.

Определим преимущества использования схем тиристорных ключей по отношению к биполярным транзисторам. На рисунке 5.4 приведены две схемы коммутации постоянного напряжения при помощи различных полупроводниковых приборов.

Рисунок 5.4 — Схемы переключения нагрузки Zн биполярным транзистором (а) и тиристором (б)

67

5. ТИРИСТОРЫ

Для поддержания в открытом и насыщенном состоянии биполярного транзистора VT в схеме (рисунок 5.4, а) требуется временная непрерывность базового тока величиной:

Как показано в разделе 2, мощные силовые биполярные транзисторы имеют малые значения нормированного минимального коэффициента передачи базового тока, в частности, H21э min = 2–5.

Если принять, что коэффициент насыщения ключаN = 2, то численный расчет показывает, что ток базыVT должен быть примерно равен току коллектора. Это свидетельствует о крайне невысокой энергетической эффективности схемы подобного мощного силового ключа, так как для создания тока базы требуется иметь достаточно мощный источник питания для создания продолжительного по времени управляющего сигнала.

Схема (приведенная на рисунке 5.4, б) коммутации нагрузки тиристором VS управляется импульсом Iупр. Его длительность tи определяется быстродействием тиристора и обычно лежит в пределах нескольких микросекунд. Если принять, что мощность, потребляемая устройствами для запирания тиристора, пренебрежимо мала и заслуживает отдельного рассмотрения, то энергетическое преимущество схемы тиристорного ключа очевидно.

Кроме того, условный коэффициент передачи управляющего сигнала у тиристора по отношению к биполярному транзистору гораздо больше, что вызвано регенеративным и лавинообразным процессом включения тиристора. Это обусловливает эффект дополнительного снижения управляющей мощности тиристорного ключа.

Таким образом, свойство неполной управляемости тиристора является его положительным качеством, что и послужило причиной широкого распространения тиристоров в силовой электронике и особенно в области мощных преобразователей электрической энергии, широко применяющихся, например, на железнодорожном транспорте.

68

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

5.2.Примеры схем силовых устройств с применением тиристорных ключей

5.2.1. Тиристорный управляемый выпрямитель

На рисунке 5.5 приведена принципиальная схема тиристорного управляемого выпрямителя переменного напряжения. Она находит широкое применение не только в промышленных системах преобразования электрической энергии, но и в бытовых электротехнических устройствах, в том числе и в домашних осветительных приборах.

Рисунок 5.5 — Схема тиристорного управляемого выпрямителя

Здесь в качестве простого примера рассматривается схема однополупериодного выпрямителя, а за нагрузку принят осветительный прибор — лампа накаливания HL. Схема управления СУ в соответствующие моменты времени формирует импульсы включе-

ния iупр тиристора VS.

На временных диаграммах (рисунок 5.6, а, б) приведены два варианта работы выпрямителя, показывающие большее и меньшее значения среднего значения выходного напряжения uн. Диаграмма (рисунок 5.6, а) показывает работу схемы при отставании по фазе импульса управляющего тока iупр тиристора на угол wt = j1, а диаграмма, приведенная на рисунке 5.6, б, — на угол wt = j2, где j2 > j1. Первому значению угла j1 соответствует среднее значение напряжения на нагрузке Uн1, второму — на Uн2. Таким образом, временное движение угла j обусловливает изменение среднего значения выходного напряжения выпрямителя, где для данного случая Uн1 > Uн2.

69

Изменение среднего значения выходного напряженияUн обусловливает изменение яркости излучения лампы накаливания HL. Рассмотренное схемотехническое решение широко применяется в бытовых и промышленных объектах для освещения рабочих мест и помещений.

70