Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники вторичного электропитания. Линейные источники вторичного электропитания. Учебное пособие
.pdf
весьма кратковременные импульсные перегрузки при обратном смещении р–п-перехода.
Интервал рабочих температур германиевых полупроводниковых диодов: нижний предел
, верхний предел
50 С
.
75 С
Обратное допустимое напряжение многообразных типов германиевых диодов составляет от 50 до 400 В. Поскольку с повышением температуры обратное допустимое напряжение уменьшается, то нагрузку выпрямительного полупроводникового диода требуется существенно
уменьшать, а также применять дополнительное охлаждение вентилей
радиаторами.
Конструктивное выполнение полупроводниковых выпрямительных
диодов определяется технологией создания р–п-перехода и мощностью.
Особенности германиевых и кремниевых выпрямительных диодов связаны с различной шириной запрещенной зоны исходных полупроводников. Так, выпрямительные диоды с большей шириной запрещенной зоны
обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах.
Германиевые диоды преимущественно применяются в низковольтных выпрямительных устройствах.
Б. Кремниевые выпрямительные полупроводниковые диоды
Максимально допустимые прямые токи кремниевых плоскостных
диодов разных типов варьируются в пределах 0,1…1600 А, при этом падение напряжения на диодах обычно не превышает 1,5 В. С увеличением температуры вследствие уменьшения высоты потенциального барьера р–п-перехода и перераспределения носителей заряда по энергетическим уровням прямое падение напряжения на внутреннем сопротивлении диода уменьшается [3–5].
Максимально допустимое
прикладываемое к диоду в обратном направлении
импульсное напряжение, периодически
U , выше,
об. имп.макс
чем у германиевых диодов; у некоторых типов кремниевых диодов до
1000 В [3–5].
Предельная рабочая частота у кремниевых полупроводниковых диодов в 2…3 раза выше, чем у германиевых полупроводниковых диодов
[3–5].
Падение напряжения на кремниевых диодах
U при макси-
пр.ср
мально допустимом прямом токе практически в 2…3 раза выше, чем
у германиевых диодов [3–5].
21
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики кремниевых диодов
не имеет участка насыщения обратного тока вследствие процесса генерации носителей заряда в р–п-переходе. Пробой кремниевых диодов
имеет лавинный характер, причем с повышением температуры пробивное напряжение увеличивается.
Обратный ток кремниевых диодов на один-два порядка меньше, чем
у германиевых.
Диапазон рабочих
одов ограничен в пределах
температур
60 С
температур для кремниевых выпрямительных ди-
…
60 С
обусловлен отличающимися коэффициентами ли-
125 С
. Нижний предел рабочих
нейного расширения разных элементов конструкции диода, вследствие
чего при низких температурах возникают механические напряжения,
которые могут стать причиной растрескивания полупроводникового
кристалла. С понижением температуры увеличивается ширина потенциального барьера на р–п-переходе, в результате чего повышается падение
прямого напряжения на диоде [3–5].
Верхний предел диапазона рабочих
мительных диодов
125 С
определяется резким снижением эффектив-
температур кремниевых выпря-
ности выпрямления, обусловленного увеличением обратного тока, порождаемого тепловой генерацией носителей заряда в результате ионизации атомов полупроводника. Таким образом, верхний предел диапазона рабочих температур для кремниевых выпрямительных полупроводниковых диодов, как и для подавляющего большинства полупроводниковых приборов, определяется шириной запрещенной зоны исходного
полупроводникового материала [3 – 5].
В выпрямителях современных линейных ИВЭП применяются в основном кремниевые полупроводниковые диоды с лавинными характеристиками, к которым причисляются диоды диффузионные, лавинные
типов ВКДЛ и ВКДЛВ. Эти типы диодов способны выдерживать кратковременные обратные перенапряжения.
Промышленностью производятся выпрямительные диоды, которые
условно классифицируют на три группы: малой, средней и большой
мощности.
Выпрямительные диоды малой мощности имеют следующие пара-
метры: прямые токи от десятка миллиампер до 300 мА; обратные
22
напряжения – в диапазоне от десятков вольт до 1200 В; обратные токи –
от десятка микроампер до 300 мкА [3–5]. По большей части маломощные диоды применяются в выпрямителях без дополнительных теплоотводов.
Выпрямительные диоды средней мощности производятся промышленностью на прямые токи от 0,3 до 10 А. Большие значения прямого
тока обеспечиваются увеличением геометрических размеров кристалла
полупроводника. Обратное напряжение соответствует диапазону 10…800 В; обратные токи – до 300 мкА. Диоды средней мощности устанавливаются на теплоотводящие радиаторы.
Мощные выпрямительные диоды. Промышленностью производятся
неуправляемые кремниевые диоды на токи 10, 25, 40 …до 1000 А и обратные напряжения до 3500 В, а также диодные столбы и диодные
блоки. Выпрямительный полупроводниковый столб – совокупность выпрямительных
полупроводниковых диодов, соединенных последовательно и собранных в единую конструкцию, имеющую два вывода
[3–5]. Выпрямительный полупроводниковый блок представляет собой
блок, собранный из выпрямительных полупроводниковых диодов [3–5].
Конструкция корпуса мощных неуправляемых диодов предполагает
установку их на радиаторы. В выпрямителях с мощными диодами применяют воздушное или жидкостное охлаждение.
Прямое падение напряжения кремниевых столбов
разных типов варьируется в пределах 3…12 В; допустимое обратное напряжение достигает 15 кВ. Кремниевые диоды, столбы и блоки могут работать при тем-
пературе корпуса
температуру до
…
60 С
150 С
[3–5].
125 С
; обесточенный диод выдерживает
Для увеличения обратного допустимого напряжения диоды одного
типа можно соединить последовательно, но следует учитывать, что
вследствие несовпадения обратных ветвей ВАХ обратные напряжения
распределяются между диодами неравномерно. Для выравнивания обратных напряжений диоды малой и средней мощности необходимо
шунтировать высокоомными резисторами (рис. 2.2, а).
В случае, когда диоды одного типа включаются последовательно
без
шунтирующих резисторов, необходимо увеличить число диодов.
Диоды могут быть включены последовательно без шунтирующих сопротивлений, но для исключения опасности перенапряжений необходимо
23
увеличить число диодов при условии, что обратное напряжение на каж-
R2R
L2L
дом из них должно быть снижено не менее чем на 25 %.
В выпрямителях большой мощности этот способ выравнивания не
эффективен из-за значительных потерь в шунтирующих резисторах.
По этой причине в таких случаях применяют шунтирующие RС-цепочки
(рис. 2.2, б). Сопротивление шунтирующих
резисторов варьируется в диа-
пазоне 500…2000 Ом.
1VD
1R
Рис. 2.2. Последовательное соединение диодов
2VD
2R
а б
1C
1VD
1
2VD
2C
Для обеспечения больших токов нагрузки в случае, когда допустимое среднее значение прямого тока диода оказывается недостаточным,
применяют параллельное включение диодов (рис. 2.3, а). При параллельном включении диодов вследствие несовпадения их ВАХ токи в диодах будут различаться. Для выравнивания токов при параллельном
включении диодов в маломощных выпрямителях последовательно с ди
одами устанавливают резисторы, равные по величине сопротивлениям,
что позволяет снизить неравенство токов в диодах. Поскольку применение уравнительных сопротивлений снижает КПД схемы, их применение
в мощных выпрямителях не рекомендуется.
1VD
2VD
1R
2R
а б
1VD
2VD
1
-
Рис. 2.3. Параллельное соединение диодов
Если диоды включаются параллельно без уравнительных сопротивлений, то для исключения опасных токовых перегрузок необходимо
увеличить число диодов, чтобы уменьшить величину протекающего
тока в каждом диоде.
24
В мощных выпрямителях для выравнивания обратных напряжений
вместо резисторов последовательно с каждым диодом включают специальные токовыравнивающие реакторы – дроссели с сердечниками.
На дросселях
и
L
1
(рис. 2.3, б) пропорционально протекающему
L
2
в цепи току индуктируется противоЭДС, порождающая выравнивание
тока дросселей, а следовательно, и диодов.
2.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ВЕНТИЛИ
К управляемым полупроводниковым вентилям относятся триодные
тиристоры – тиристоры, которые при обратном напряжении не переключаются, а находятся в обратном непроводящем состоянии. Для такого рода тиристоров допускается применять термин «тиристор» и обозначать VS.
Тиристор – четырехслойный р–п–р–п-полупроводниковый прибор,
который применяется в линейных ИВЭП в качестве управляемого вен
тиля функционального блока выпрямителя.
Статические вольт-амперные характеристики тиристора показаны
на рис. 2.4.
I
VS
А
U
обр
К
УЭ
5
Рис. 2.4. Вольт-амперная характеристика тиристора
пр
I
уд
4
I
обр
1
I
0
у
2
U
вкл
3
U
вкл
0уI
I
вкл
I
вкл
U
пр
-
Во включенное (открытое) состояние тиристор переходит при подаче
на управляющий электрод УЭ короткого положительного импульса
25
при условии разности потенциалов между анодом А и катодом К в прямом направлении («+» на аноде, «–» на катоде).
В открытом состоянии, поскольку внутренняя обратная связь
остается положительной, тиристор сам поддерживает проводящее состояние; прямой ток через тиристор ограничивается сопротивлением
нагрузки [3–5].
Для выключения (запирания) тиристора необходимо изменить полярность анодного напряжения или
меньше
I и удерживать в течение времени, достаточного для расса-
уд VS
снизить анодный ток до значения
сывания неосновных носителей заряда в зонах полупроводника и восстановления управляющих свойств.
Чтобы вновь включить тиристор, необходимо активировать процесс
внутренней положительной обратной связи посредством протекания
в его цепи управления тока
I .
у
Таким образом, тиристор представляет собой частично управляемый вентиль, который можно перевести в проводящее (открытое) состояние только при одновременном выполнении двух условий: положительный потенциал анода относительно катода; подача управляющего
сигнала в виде тока управления в цепи управляющего электрода. При
отсутствии или невыполнении одного из этих условий тиристор будет
оставаться в закрытом состоянии.
Частичная управляемость тиристора заключается в том, что после
включения тиристора цепь управления становится неэффективной, так
как тиристор сам себя поддерживает во включенном состоянии за счет
внутренней положительной обратной связи.
Полностью управляемые тиристоры, запирание которых осуществляется подачей отрицательного импульса на управляющий УЭ электрод, из-за
требуемой существенной мощности управления редко при-
меняются в ИВЭП.
Из рассмотрения статических вольт-амперных характеристик тиристора (рис. 2.4) видно, что тиристор можно перевести в открытое
состояние посредством увеличения приложенного к нему напряжения
до критического значения
переход
(0).I Тиристор может быть также переведен в открытое
у
U
без воздействия на управляющий
вкл
VS
26
состояние и при меньшем значении напряжения, чем
вкл
, если
VS
U
скорость нарастания напряжения весьма высока. Однако такое включение тиристора нежелательно. Поэтому тиристоры функционируют исправно при входном синусоидальном напряжении, скорость нарастания
которого не превышает нескольких десятков вольт в секунду.
В цепях переменного тока под действием напряжения питающей
сети ток тиристора сам снижается до нуля и происходит его выключение – естественная коммутация. Естественная коммутация активно применяется в силовых преобразовательных устройствах переменного тока.
В цепях постоянного тока для выключения тиристора применяют
узлы принудительной коммутации, обеспечивающие принудительное
выключение тиристора в требуемый момент.
Основные параметры тиристоров
Параметры тиристора условно разделяют на параметры, которые относятся к цепи основного тока и к цепи управления. Основная цепь силовых тиристоров за исключением параметров прямого тока, которые
подобны параметрам силовых полупроводниковых диодов, характеризуется напряжением включения
током удержания
Минимальное значение тока удержания опре-
.
I
уд
VS
U
током включения
,
вкл
VS
а также
,
I
вкл
VS
деляется режимом цепи управления [3–5].
Параметры, относящиеся к цепи управления, – напряжения и токи
в прямом и обратном направлении.
В технических справочниках приводятся параметры цепи управления
и дополнительные параметры, характеризующие силовую цепь тиристора:
напряжение переключения: постоянное
напряжение в открытом состоянии
о.с
;U
постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии
рающее напряжение на управляющем электроде
напряжение на управляющем электроде
нии
I
отк.с
удержания
; обратный ток
I ; время включения
уд
I ; отпирающий ток
обр
; время выключения [3–5].
t
вкл
,U импульсное
прк.п
обратное напряжение
закр.с
;U запирающее
у.нот
U ; ток в открытом состоя-
у.з
I ; ток утечки утI ; ток
у.от
прк.им
обр
;U неотпи-
;U
;U
27
Выбор типа тиристора
Надежная работа тиристоров существенно зависит от обеспечения
выбора безопасных электрических и тепловых режимов работы цепи
управления.
Максимально допустимые токи по основной цепи определяются
конструкцией тиристора. Тепловое состояние тиристора существенно
зависит от падения напряжения и действующих значений токов по основной цепи и управляющему электроду. Отношение максимального
значения постоянного тока в открытом
нему значению
отк.макс отк.ср.макс
состоянии тиристора к его сред-
1, 57РР [3–5].
Максимально допустимое значение напряжения (прямое и обратное) ограничивается областью электрического пробоя тиристора. Номинальное рабочее напряжение выбирается из условия
(0,6...0, 7)VSU
вкл
[3–5].
U
ном
VS
В случае, когда необходимо повысить максимально допустимое обратное напряжение, управляющий электрод тиристора соединяют через
резистор с катодом либо тиристор должен находиться под отрицательным потенциалом по отношению к катоду. Для обеспечения надежной
работы номинальное значение обратного напряжения на тиристоре не
должно превышать
(0,6...0, 7)VSU
обр.макс
[3–5].
Соединение управляющего электрода с катодом через резистор в несколько сотен ом существенно влияет на устойчивость к самооткрыванию тиристора вследствие увеличения напряжения
сти его нарастания
dU dt
вкл
Прямое напряжение включения
[3–5].
VS
U
– критическое напряжение,
вкл
VS
U
или скоро-
вкл
VS
когда тиристор, корпус которого нагрет до предельной температуры, переходит в открытое (проводящее) состояние при отсутствии тока управляющего электрода. Превышение этого значения напряжения может повлечь разрушение структуры тиристора. В связи с этим не рекомендуется производить перевод тиристора из запертого состояния в проводящее увеличением прикладываемого
к нему напряжения при отсутствии
тока управляющего электрода [3–5].
28
Ток и напряжение управления варьируются при изменении температуры р–п-перехода, для каждого типа тиристоров существует граница
минимальных значений напряжения отпирания
U
При превышении минимальных значений напряжения
I тиристор непременно включается в диапазоне изменения тем-
у.отпVS
и тока
у.отп
VS
U и тока
у.отпVS
I
у.отп
VS
пературы от минимального до максимального значения.
Рассеиваемая тиристором общая мощность
обусловлена мощ-
Р
VS
ностью потерь в прямом и обратном направлении по основной цепи
Р
ср.макс
и на управляющем электроде
VS
Р
у.ср.макс
.
VS
В справочниках, как правило, приводится значение максимально допустимой средней мощности управления
Р
у.ср.макс
. Однако управле-
VS
ние тиристорами в большинстве случаев реализуется короткими импульсами. Поэтому для цепи управления следует знать значение допустимой импульсной мощности
Р
у.им.макс
, которая превышает среднее
VS
значение мощности.
Для прямоугольных управляющих импульсов допустимая импульсная мощность цепи управления
РТ
Р
у.им.макс
у.ср.макc пов
,
VS
t
имп.у
VS
.
где
t – длительность импульса управления.
имп.у
– период повторения прямоугольных импульсов управления;
Т
пов
Для управляющих импульсов синусоидальной формы
РР
у.им.макс у.ср.макс
4
VS VS
.
Кривые допустимой мощности совместно с областью границы отпираний тиристора, определяемой параметрами
U
у.отп
и
I
VS
у.отп
, позво-
VS
ляют построить нагрузочные характеристики и установить выходные параметры источника сигнала управления. Расчетная рабочая точка тиристора при всех условиях эксплуатации должна находиться внутри области семейства расчетных входных вольт-амперных характеристик [3–5].
29
Промышленностью тиристоры производятся на токи от сотен
миллиампер до сотен ампер с обратным допустимым напряжением до
1000 В и более. Рабочие температуры варьируются в диапазоне
…
50 С
120 С
.
Для стабилизации параметров тиристоров при изменении температуры применяют радиаторы и способы охлаждения, подобные способам
охлаждения диодов и транзисторов.
2.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ
И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИСТОРЫ
Полупроводниковые стабилитроны и полупроводниковые стабисторы используются в качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения нерегулируемого линейного ИВЭП со стабилизатором напряжения (см. рис. 1.3). Вольт-амперные характеристики и условные обозначения полупроводниковых стабилитронов и полупроводниковых стабисторов показаны на рис. 2.5.
Полупроводниковый стабилитрон представляет собой плоскост-
ной полупроводниковый диод. В отличие от полупроводниковых диодов кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ в области электрического пробоя, где незначительное повышение напряжения порождает существенное увеличение тока через стабилитрон
(рис. 2.5, а) [3–6].
Вольт-амперная характеристика стабилитрона и графическое обозначение показаны на рис. 2.5. Вольт-амперная
характеристика стабилитрона в прямом включении не отличается от вольт-амперной характеристики обычного диода. Однако вольт-амперная характеристика стабилитрона в обратном включении имеет отличительную особенность:
обратное напряжение при электрическом пробое неизменно в широком
диапазоне токов, что позволяет применять стабилитроны в качестве стабилизаторов напряжения.
Низковольтные стабилитроны выполняют на
основе сильно легированного кремния, вследствие чего формируемая очень маленькая ширина р–п-перехода и порождаемая значительная напряженность электрического поля потенциального барьера создают условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р–п-перехода
пробой носит лавинный характер. При напряжении стабилизации
U
ст
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]