3

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

План

1.Введение

2.Выпрямительные диоды

3.Стабилитроны

4.Диоды Шоттки

5.Выводы

Введение

Энергетическая электроника представляет область техники, которая занимается разработкой и исследованием устройств, предназначенных для преобразования электрической энергии. В настоящее время электроэнергия практически повсеместно генерируется и передается в форме переменного трехфазного тока. Однако в промышленности и в быту используется большое количество устройств, для которых необходимы источники электроэнергии, частота которых отличается от стандартной. Подсчитано, что в 20 – 25% общего количества электроэнергии в мире потребляется в виде постоянного тока. Назначение устройств энергетической электроники заключается в том, чтобы обеспечить требуемое преобразование параметров первичных источников энергии с минимальными потерями.

Современные устройства энергетической электроники широко используются в быту, вычислительной технике, системах телекоммуникаций, медицине, электрифицированном транспорте, установках промышленного нагрева. Уровень мощности устройств преобразования энергии может изменяться от нескольких ватт до сотен и тысяч киловатт.

Интенсивное развитие энергетической электроники обусловлено следующими причинами.

1.Необходимостью создания преобразователей и регуляторов электрической энергии с различными характеристиками и параметрами для питания разнообразных потребителей;

2.Внедрением энергосберегающих технологий, для которых необходимы устройства преобразования электрической энергии, обладающие высоким КПД;

3.Прогрессом в создании силовых полупроводниковых приборов, совершенствованием их характеристик.

4

Сочетание этих факторов сделало современную энергетическую электронику важным элементом технического прогресса.

Развитие энергетической электроники связано прежде всего с развитием импульсных устройств преобразования электроэнергии. Такие устройства позволяют значительно уменьшить размеры, вес и собственные потери электронных преобразователей. Корни этого направления связаны с развитием авиационной и космической техники. Жесткие требования к КПД и ограничения на размеры и вес систем электропитания космических аппаратов привели к созданию и быстрому развитию импульсных источников электропитания. В настоящее время импульсные преобразователи, работающие на частотах переключения от десятков до сотен килогерц используются в источниках вторичного электропитания компьютеров, систем телекоммуникаций, бытовой техники и т.п.

Курс лекций предназначен для бакалавров направления 140200.62 "Электроэнергетика и электротехника". Материал курса может быть использован также в дисциплинах «Электротехника и электроника», «Теоретические основы электротехники» для бакалавров, обучающихся по другим направлениям.

Рекомендуемая литература. Для углубленного изучения отдельных разделов курса можно рекомендовать монографии В. И. Мелешина [1], Г. И. Воловича [2], Р. Севернса и Г. Блума [10]. Вопросы проектирования импульсных источников электропитания изложены в [6, 7]. Компьютерные методы моделирования электронных устройств рассмотрены в книгах [8, 9, 11].

2. Выпрямительные диоды

Изучение элементной базы энергетической электроники начнем с рассмотрения диодов. Полупроводниковый диод – двухполюсный прибор, имеющий один p–n-переход. По функциональному назначению диоды делят на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В специальных типах полупроводниковых диодов используют различные свойства p–n-перехода: явление пробоя, барьерную емкость перехода и т. д.

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные. Для выпрямления больших токов используют плоскостные диоды, имеющие большую площадь p–n-перехода.

Упрощенная структура диода показана на рис. 1.1, а, а его условное графическое изображение – на рис. 1.1, б. Электрод диода, подключенный к p-области, называют анодом (А), а электрод, подключенный к n-области – катодом (К). Эти названия заимствованы у вакуумных диодов. Если анод положителен по отношению к катоду, то на диод подано прямое смещение; ток диода при этом называют прямым. При обратном смещении катод более

5

положителен, чем анод. Обратный ток при этом ограничен малым током насыщения.

Как правило, диоды выполняют на основе несимметричных p–n- переходов. В этом случае в одной из областей концентрация примеси, определяющей вид проводимости, значительно больше, чем в другой области. Область с высокой концентрацией примеси называют эмиттером. Функции эмиттера может выполнять как катод, так и анод. Область с низкой концентрацией примесей называют базой. База имеет значительно большее объемное сопротивление, чем эмиттер.

Величина этого тока зависит от типа полупроводника и размеров диода. Для маломощных приборов ток I0 имеет порядок А. Обратный ток кремниевых диодов на 1–2 порядка меньше, чем германиевых. Кроме того, обратный ток диода зависит от температуры. У кремниевых диодов он

удваивается при увеличении температуры приблизительно на 7 °С. На практике считают, что обратный ток кремниевых диодов увеличивается в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10 °С.

Прямая ветвь ВАХ диода отличается от идеальной из-за рекомбинации электронов и дырок в p–n-переходе, падения напряжения на базе. Уравнение ВАХ p–n-перехода с учетом падения напряжения на базе имеет вид

Здесь R – сопротивление базы диода.

7

течение некоторого времени после того, как прямое напряжение уменьшилось до нуля.

Формы напряжения и тока диода при обратном восстановлении показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2

Время обратного восстановления является одним из главных критериев выбора диода для импульсных устройств, работающих на высоких частотах. Плоскостные диоды подразделяются на диоды со стандартным восстановлением, быстрым восстановлением и ультрабыстрым восстановлением.

Диоды со стандартным восстановлением используются только в устройствах промышленной частоты (50 Гц). Время обратного восстановления у диодов со стандартным восстановлением часто не регламентируется. Диоды с быстрым восстановлением имеют время обратного восстановления в диапазоне 100 – 250 нс, а диоды с ультрабыстрым восстановлением – 25-50 нс.

Силовые диоды большой мощности производятся на основе так называемой p-i–n-структуры. Между слоями с проводимостью p- и n-типов расположен дополнительный слаболегированный слой кремния с собственной проводимостью. Этот слой называют i–областью, от английского intrinsic – собственный. Использование такой структуры повышает максимально допустимое обратное напряжение. У p-i–n-диодов оно может достигать 1000 В. Поперечное сечение p-i–n-диода показано на рис. 1.3.

8

Рис. 1.3

За счет включения дополнительного слаболегированного слоя прямое напряжение p-i–n-диодов выше, чем у обычных диодов с p–n-переходом. Оно составляет приблизительно 0.8 В.

2. Стабилитроны

Стабилитрон – полупроводниковый диод, работающий в режиме управляемого лавинного пробоя. В зависимости от удельного сопротивления базы в стабилитроне может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой.

Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего необходимую форму вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как электрический пробой у них легко переходит в тепловой.

Условное графическое изображение стабилитрона и его вольтамперная характеристика показаны на рис. 1.4.

Прямая ветвь ВАХ стабилитрона имеет такой же вид, как и у типичного кремниевого диода. У стабилитронов рабочей является обратная ветвь ВАХ. Она имеет излом и вслед за ним – круто падающий линейный участок. Поэтому при изменении тока в широких пределах напряжение на приборе практически не изменяется. Это свойство стабилитрона позволяет использовать его в качестве стабилизатора напряжения.

Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в p–n-переходе, будет небольшой, что предохраняет переход от теплового (необратимого) пробоя. Ток стабилитрона колеблется в пределах от единиц миллиампер до нескольких ампер. Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя p–n-перехода, лежит в пределах от единиц до нескольких десятков вольт.

9

iпр

Uобр

iобр

Рис. 1.4

Основное применение кремниевых стабилитронов – стабилизация напряжения. Стабилитроны используют в параметрических стабилизаторах напряжения и в источниках опорного напряжения.

Приведем основные параметры стабилитронов, приводимые в справочной литературе.

1.Напряжение стабилизации U ст – напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации (в режиме пробоя).

2.Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на стабилитроне, – наибольшая мощность, выделяющаяся в p–n-переходе, при которой не происходит тепловой пробой перехода. Она составляет от сотен милливатт до единиц ватт.

3.Максимальный ток стабилизации I ст max – наибольшее значение тока, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения. Значение I ст max может составлять от нескольких миллиампер до нескольких ампер.

4. Минимальный ток стабилизации Iст min – минимальный ток, при котором возникает устойчивый пробой.

5. Дифференциальное сопротивление Rдиф – отношение приращения напряжения к приращению тока в режиме стабилизации:

Дифференциальное сопротивление может быть от единиц Ом для низковольтных стабилитронов до сотен Ом для стабилитронов на более высокие напряжения.

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации – относительное изменение напряжения стабилизации при изменении

температуры окружающей среды на 1 °С:

10

Здесь αст может принимать значения от 10 −5 до 10 −3 K−1 .

3. Диоды Шоттки

Диоды с барьером Шоттки (диоды Шоттки) названы по имени немецкого ученого В. Шоттки. В диодах этого типа выпрямительный переход создается слоем металла (обычно золота, платины, алюминия или палладия), нанесенного на поверхность слаболегированного полупроводника. Этот переход ведет себя как диод; проводит электрический ток в одном направлении (от металлического анода к полупроводниковому катоду) и действует как разомкнутая цепь в другом направлении. Инжекция неосновных носителей в базу в таких диодах отсутствует, так как ток образуется только электронами, движущимися из кремния в металл. По этой причине у диодов Шоттки отсутствует накопление зарядов в базе и время переключения значительно меньше, чем время переключения биполярного диода. У таких диодов практически отсутствует эффект прямого или обратного восстановления.

Другая важная особенность барьера Шоттки – меньшее прямое напряжение, чем прямое напряжение кремниевого p–n-перехода при той же величине тока. Прямое напряжение кремниевых диодов Шоттки составляет 0.2 – 0.45 В. Недостатком диодов Шоттки по сравнению с биполярными диодами является их больший обратный ток, а также меньшее напряжение пробоя. Обратный ток имеет экспоненциальную зависимость от температуры и возрастает при повышении обратного напряжения.

Современные диоды Шоттки имеют структуру, показанную на рис. 1.5, а. На рис. 1.5, б показано условное графическое обозначение диода Шоттки.

В диодах Шоттки предпочтительно использование полупроводника n-типа из-за более высокой подвижности электронов по сравнению с подвижностью дырок.

11

а

б

Рис. 1.5

Диоды Шоттки, имеющие высокое обратное напряжение, производят на основе арсенида галлия или карбида кремния. Пиковое обратное напряжение арсенид-галлиевых диодов достигает 300 В. Прямое падение напряжения таких диодов составляет обычно 0.8 В. Максимальное обратное напряжение диодов Шоттки на основе карбида кремния превышает 1000 В.

5. Выводы

1.Полупроводниковым диодом называют двухполюсный прибор, имеющий один p–n-переход.

2.Идеальная ВАХ диода описывается выражением

I= I0 æçeU Vt -1ö÷

èø

3.Силовые диоды большой мощности производятся на основе так называемой p-i–n-структуры. Между слоями с проводимостью p- и n- типов расположен дополнительный слаболегированный слой кремния с собственной проводимостью. Этот слой называют i–областью, от английского intrinsic – собственный. Использование такой структуры повышает максимально допустимое обратное напряжение.