14 Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим:

• малые потери при коммутации;

• большая скорость переключения из одного состояния в другое;

• малое потребление по цепи управления;

• большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается, и силовые приборы непрерывно совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000A и рабочее напряжение свыше 6кВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управления силовыми ключами.

Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. К последним достижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статической индукцией и биполярных транзисторов с изолированным затвором. Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500A при напряжении до 2000B. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные - (тиристоры). Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры -симисторы.

Условно-графические обозначения силовых приборов приведены на рис.14.1.

14.1 Динисторы.

Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода, который обладает способностью переключаться из закрытого состояния в открытое при превышении током некоторого критического значения. Крайняя область p называется анодом, а другая крайняя область n - катодом. Структура динистора приведена на рис. 14.2 а. Три p-n-перехода динистора обозначены как J₁, J₂ и J₃- Динистор имеет две эмиттерных (Э1 и Э2) и две базовых (Б1 и Б2) области

При подаче на анод динистора положительного потенциала, а на катод отрицательного потенциала переходыJ₁ и J₃ будут смещены в прямом направлении, а переход J₂ в обратном. Поэтому все напряжение будет приложено к переходу J₂, и ток через сопротивление нагрузки будет обусловлен протеканием обратного тока р-п перехода J₂. Поэтому участок 1 прямой ветви ВАХ динистора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода (рис.14.2.в, участок 1). По мере увеличения анодного напряжения увеличивается и падение напряжения на прямосмещенных эмиттерных переходах J₁ и J₃. Электроны, инжектированные из п-эмиттера в р-базу, диффундируют к коллекторному переходу J₂, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в п-базу. Дальнейшему движению электронов по структуре динистора, препятствует небольшой потенциальный барьер эмиттерного перехода J₃. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме п-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который понижая высоту потенциального барьера перехода J₃, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в п-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу J₂, втягиваются полем этого перехода и попадают в р-базу. Дальнейшему движению дырок по структуре динистора, препятствует небольшой потенциальный барьер эмиттерного перехода J₁. Следовательно, в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что в свою очередь вызывает увеличение инжекции электронов из п-эмиттера. Таким образом, в структуре динистора возникает положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление неравновесных носителей заряда в базовых областях динистора создает дополнительную разность потенциалов на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекторный переход J₂ в прямом направлении. Поэтому по мере увеличения тока через динистор, увеличивается накопление избыточных носителей заряда в базовых областях, уменьшается суммарная разность потенциалов, приложенная к коллекторному переходу J₂, и снижается высота потенциального барьера этого перехода. При некотором значении тока, текущего через динистор, коллекторный переход окажется включенным в прямом направлении, и его ветвь ВАХ будет соответствовать прямой ветви ВАХ выпрямительного диода (рис.14.2.в, участок 2).

Таким образом, динистор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. В закрытом состоянии к динистору может быть приложена значительное напряжение, а ток при этом будет малым. В открытом состоянии через динистор протекает существенный ток при относительно низком падении напряжения.

Переключение динистора из закрытого состояния в открытое происходит при превышении приложенным напряжением некоторого порогового значения U_ВКЛ. В открытом состоянии динистор будет находиться до тех пор, пока ток через него не уменьшится до значения удерживающего тока J_УД. или не будет разорвана цепь питания. Выключить динистор также можно, подавая на него напряжение обратной полярности.

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис.14.3. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а кол­лекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Условием переключения динистора является равенство единице суммарного дифференциального коэффициента передачи тока динисторной структуры, т.е.

, (14.1)

где α₁, α₂ – коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT2, соответственно.

При обратном напряжении на динисторе эмиттерные переходы J₁ и J₃ смещены в обратном направлении, а коллекторный переход J₂ - в прямом. В этом случае отсутствуют условия переключения динистора, и обратный ток динистора соответствует ВАХ обратносмещенного выпрямительного диода.