1. Cиловой ключ на основе полупроводникового диода. Основные параметры.

Простейшими неуправляемыми силовыми ключами являются полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p-n перехода, т.е. пропускающие ток в одном направлении и практически не пропускающие его в другом направлении (рис.1.2). Структура диода показана на рис.1.2, а, его графическое изображение на рис.1.2, б, а его вольтамперная характеристика – на рис.1.2, в.

Рис.1.2. Полупроводниковые диоды: а) – структура диода; б) – графическое изображение диода; в) – вольтамперная характеристика диода

Поскольку на начальном участке прямой ветви вольтамперной характеристики диод имеет большое сопротивление, то обычно прямую ветвь аппроксимируют в виде двух отрезков прямых (пунктир на рис. 1.2, в), что позволяет определить напряжение отсечки – , а также динамическое сопротивление диода, вычисляемое по формуле (1.1):, (1.1)

необходимые для анализа, расчёта и моделирования. Таким образом, в прямом направлении диод описывается уравнением (1.2)

. (1.2)

В обратном направлении сопротивление силового диода обычно принимают равным бесконечности, а обратным током p–n перехода пренебрегают, считая его равным нулю. Силовые диоды характеризуются системой статических, динамических и предельных параметров. К статическим параметрам относятся:

статическое сопротивление диода (рис.1.2, в);

номинальное значение прямого тока ;

номинальное значение обратного тока ;

номинальное значение обратного напряжения ;

номинальное значение прямого падения напряжения ;

напряжение отсечки ;

К динамическим параметрам относятся:

динамическое сопротивление ;

скорость нарастания прямого тока ;

скорость нарастания обратного напряжения ;

время восстановления обратного напряжения ;

предельная частота .

2. Силовой ключ на основе однооперационного тиристора (scr). Основные особенности.

Тиристоры представляют собой четырехслойную полупроводниковую структуру p–n–p–n типов проводимости (рис.1.23). Управляющий электрод выводится от любой промежуточной области. ВАХ представлена на рис.1.24. Если на анод тиристора подать положительный потенциал относительно катода, то 1-й и 3-й p–n переходы будут смещены в прямом направлении, а 2-й p–n переход – в обратном. Поэтому тиристор будет закрыт.

Если между управляющим электродом и катодом пропустить маленький ток управления , то в зависимости от величины этого тока произойдет переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при большем или меньшем значении напряжения между анодом и катодом. Чем больше ток управления, тем меньше значения напряжения переключения. Если ток управления спрямления равен, то тиристор откроется сразу, как обычный диод. При подачи на анод и катод обратного напряжения тиристор закрыт, так как 1-й и 3-йp-n переходы смещены в обратном направлении, поэтому обратная ветвь вольтамперной характеристики тиристора такая же, как и у диода. Механизм включения тиристора рассмотрим на примере двухтранзисторной модели (рис. 1.25, а, б).

Структуру на рис.1.23 можно изобразить в виде рис.1.25, а, в виде включенных вместе двух транзисторов p–n–pиn–p–n, т.е. так, что коллекторный ток транзистора является базовым током транзистора и наоборот. В схеме возникает внутренняя положительная обратная связь, которая после включения тиристора делает цепь управления неэффективной, так как оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии, т.е. закрыть однооперационныйSСRтиристор по цепи управления нельзя.

Для запирания тиристора необходимо: снизить анодный ток до нуля и удерживать его на нулевом уровне в течение времени рассасывания неосновных носителей, накопившихся в базах транзисторов и. Графическое изображение рассмотренного тиристора представлено на рис.1.26, а. Если вывод управляющего электрода сделан от промежуточной зоныn, то тогда управляющий сигнал подают между анодом и управляющим электродом, а графическое изображение такого тиристора представлено на рис.1.26, б. Основные параметры тиристоров во включенном состоянии такие же как у диодов, а к динамическим параметрам еще добавляется время включения и время выключения. Процесс включения и выключения тиристора по его диаграммам на рис.1.27. Для включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления на начальном участке – его амплитуда, длительность и скорость нарастанияотвечали определенным требованиям. Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя время задержки, которое зависит от амплитуды импульса тока управленияна начальном участке. В течение времени задержки ток в тиристоре нарастает до величины тока удержания – минимального прямого тока тиристора, при котором он еще находится в открытом состоянии. Обычно принимают.

Затем происходит нарастание тока до величины, определяемой сопротивлением нагрузки и напряжения источника питания. Это происходит в течение времени .

Рис.1.27. Диаграммы процесса включения и выключения SСR-тиристора

.(1.21) После включения тиристора, ток управления можно уменьшить или выключить. Для запирания тиристора необходимо снизить его прямой ток до нуля. Для этого к открытому тиристору обычно подключают в обратном, запирающем направлении источник коммутирующей ЭДС, например предварительно заряженный конденсатор. Процесс выключения складывается из трех этапов (рис.1.27 б):

нарастание обратного тока через тиристор (интервал );

• спад обратного тока до нуля (интервал );

• восстановление запирающих свойств тиристора (интервал ).

И только через промежуток времени , выраженный по формуле 1.22:

,(1.22) к тиристору можно повторно прикладывать прямое напряжение.

Динамические параметры: 1)скорость нарастания напряжения 2)скорость нарастания тока. Быстрое нарастание может привести к самопроизвольному включению тиристора или вывести его из строя. Быстрое нарастание может привести к локальному перегреву полупроводниковой структуры и выводу тиристора из строя. Однооперационные тиристоры, в силу присущего им серьезного недостатка невозможности включения по цепи управления, в настоящее время используют преимущественно в преобразователях с естественной коммутацией, когда тиристоры включаются в результате смены полярности напряжения питающей сети. Это управляемые выпрямители, инверторы, ведомые сетью, статические регуляторы переменного тока.