1.7.Силовые полупроводниковые приборы

Ксиловым 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:

• малые потери при коммутации;

• большая скорость переключения из одного состояния в другое;

• малое потребление по цепи управления;

• большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение. Силоваяэлектрониканепрерывноразвивается, исиловыеприборынепрерывно совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше 6 кВ. Быстродействие силовыхприборовтаково, чтоонимогутработатьначастотахдо1 МГц. Зна-

чительносниженамощностьуправлениясиловымиключами. Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполяр-

ные транзисторы. 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 (СИТ и БСИТ) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А при напряжении до 2000 В. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления.

Тиристорыделятсянадвегруппы: диодныетиристоры(динисторы)

итриодные (тиристоры). Для коммутации цепей переменного тока разработаныспециальныесимметричныетиристоры-симисторы.

Динистор — это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n перехода. Крайняя область Р называется анодом, а другая крайняя область N — катодом. Структура динистора приведена

на рис. 1.28, а. Три p-n перехода динистора обозначены как J1, J2 и J3 . Схематическое изображение динистора приведено на рис. 1.28, б.

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис. 1.29, а, б.

44

При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора — током базы первого. Благодаряэтомувнутреннему соединениювнутриприбораестьположительнаяобратнаясвязь.

Если на анод подано положительноенапряжениепоотношениюккатоду, то переходы J1 и J3 будут смещены впрямомнаправлении, апереходJ2 — в обратном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу J2. Примем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзисто-

ровТ1 и Т2 имеют значения α1 и α2 соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис. 1.29, б, найдем ток через переход J2 , равныйсумметоковколлекторовобоихтранзисторовитокаутечкиIк0 этого перехода:

Ток во внешней цепи равен Iэ1 = Iэ2 = I J2 = I, поэтому после подстановки I в (1.19) найдем:

I (1 − α1 − α2 ) = I к0 ,

Рис. 1.29. Две структуры динистора и схема его замещения

45

откуда получим значение внешнего тока:

Покавыполняется условие (α1 + α2 ) <1, токвдинисторе будетравен Iк0 . Если же сделать (α1 + α2 ) ≥1, то динистор включается и начинает проводитьток. Такимобразом, полученоусловиевключениядинистора.

Для увеличения коэффициентов передачи тока α1 или α2 имеются два способа. По первому способу можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом напряжения U = Uвкл один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.

Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.

После включения транзисторов динистор замкнется и ток I будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2 В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде. Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис. 1.30, а, а схема импульсного включения на рис. 1.30, б.

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения Iвыкл или поменять полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 1.31. В схеме (а) прерывается ток в цепи динистора. Во схеме (б) напряжение на динисторе де-

Рис. 1.30. Вольт-амперныехарактеристикидинистора(а) исхемаеговключения(б)

46

Рис. 1.31. Схемы включения динистора: с размыканием цепи (а), шунтированием прибора (б), со снижением тока анода (в), с подачей обратного напряжения (г)

лается равным нулю. В схеме (в) ток динистора понижается до Iвыкл включением добавочного резистора Rд. В схеме (г) при замыкании ключа К, на анод динистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора С.

Второй способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзисторов Т1 или Т2 . Если подать в одну из этих баз ток управления, коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. Расположение этих управляющих электродов и схематические обозначения тиристоров приведены на рис. 1.32. Вольт-амперная характеристика тиристора, приведенная на рис. 1.33, отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода, При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

Послевключения управляющий электрод теряетуправляющие свойства, следовательно, сегопомощьювыключитьтиристорнельзя. Основныесхемывыключениятиристоратакиеже, какидлядинистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это яв-

47

Рис. 1.32. Структура тиристора с катодным управлением (а) и его схемотехническое обозначение (б); структура тиристора с анодным управлением (в)

и его схемотехническое обозначение (г)

лениеполучилоназвание«эффектаdU/dt». Оносвязаносзарядомемкости перехода СJ2 прибыстромизменении напряжения наанодетиристора

(илидинистора): Ic2 = С2dU/dt. Дажепринебольшомнапряжениинаанодетиристорможетвключитьсяприбольшойскоростиегоизменения.

Условное обозначение динисторов итиристоров содержит информацию о материале полупроводника (буква К), обозначении типа прибора: (динистор — букваН, тиристор — букваУ), классе помощности (1 — ток анода Iа < 0,3 А, 2 — Iа > 0,3 А) и порядковом номере разработки — например, динистор КН102 — кремниевый, малой мощности; тиристор КУ202 — кремниевый, большой мощности.

48

торое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис. 1.34. Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задерж-

ки tзд, которое зависит от амплитуды импульса тока

управления Iуt . При достаточно большом токе управления время задержки достигает долей микросекунды

(от 0,1 до 1...2 мкс).

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют вре-

менем лавинного нарастания. Это время существенно зависит от начального прямого напряжения Uпр0 на тиристоре и прямого тока Iпр через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления — его амплитуда Iуt, длительность tиу, скорость нарастания dIy/dt — отвечали определенным требованиям, которые обеспечивают включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержания Iа уд.

Если тиристор выключается приложением обратного напряжения Uобр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления обратного сопротивления tоб.в и время выключения tвык. После окончания времени восстановления tоб.в ток в тиристоре достигает нулевого значения. Однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время tвык к тиристору можно повторно прикладывать прямое напряжение Uпр0 .

49

Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

Симистор — симметричный тиристор, предназначенный для коммутации в цепях переменного тока, может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 1.35, а, а его схематическое обозначение на рис. 1.35, б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимости и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-ам- перная характеристика симистора приведена на рис. 1.36.

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управления симистора, основные характеристики и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400 В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время включения — не более 10 мкс.

50

Рис. 1.37. Структура фотосимистора СИТАК (а), его схемотехническое изображение (б)

Фототиристоры и фотосимисторы — это тиристоры и симисторы с фотоэлектронным управлением, в которых управляющий электрод замененинфракраснымсветодиодомифотоприемникомсосхемойуправления. Основноедостоинствотакихприборов— гальваническаяразвязка цепи управления от силовой цепи. В качестве примера рассмотрим устройствофотосимистора, выпускаемогофирмой«Сименс» подназванием СИТАК. Структурная схема прибора СИТАК приведена на рис. 1.37, а, аегоусловноесхематическоеизображение— нарис. 1.37, б.

Такой прибор потребляет по входу управления светодиодом ток около 1,5 мА и коммутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600 В. Такие приборы широко применяются в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением.

51