6.3. Силовые транзисторные ключи
В качестве силовых ключей в аппаратах применяют биполярные транзисторы ВРТ (Bipolar Power Transistor); полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET (Metal – Oxid – Semiconductor – Field – Effect – Transistor); биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
Биполярные транзисторы, коммутирующие токи более 50 А, обычно рассчитаны на напряжение до 600 В и частоту переключений до 20 кГц.
Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором имеют большее быстродействие. Частота коммутации до 100 кГц. При токах свыше 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В. Сопротивление проводящего канала включенного транзисторного ключа в районе 0,5 Ом.
Ключи на биполярных транзисторах с изолированным затвором объединяют положительные свойства биполярного и полевого транзисторов. Подобно биполярному транзистору IGBT-транзистор имеет малые потери мощности во включенном состоянии и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых транзисторов.
На рис. 6.7 показаны условные обозначения полевых транзисторов с индуцированным (рис. 6.7а) и встроенным (рис. 6.7б) каналом n-типа; биполярного транзистора с изолированным затвором (рис. 6.7в), а также упрощенная эквивалентная схема IGBT (рис. 6.7г). Выводы транзисторов обозначены буквами: З – затвор, И – исток, С – сток, П – подложка, К – коллектор, Э – эмиттер.
Транзистор IGBT закрыт, если на затвор не подано напряжение. Включение IGBT с каналом n-типа осуществляется подачей на затвор положительного напряжения (uЗЭ) относительно эмиттера. Силовые IGBT коммутируют токи до 5 кА при частоте коммутации до 100 кГц.
Отечественная промышленность производит силовые модули на биполярных, полевых и биполярных транзисторах с изолированным затвором. Типовые схемы соединения элементов в модулях, как правило, соответствуют типовым схемам преобразования параметров электрической энергии. Например, выпускаются модули по схемам однофазных и трехфазных выпрямителей и инверторов, модули по схемам ключевых регуляторов напряжения и др. Некоторые модули расширяют возможности применения транзисторных ключей, изменяя их вольт-амперные характеристики (рис. 6.8).
Примеры силовых модулей на полевых транзисторах и биполярном транзисторе с изолированным затвором приведены на рис. 6.9.
Модуль на полевых транзисторах (рис.6.9а) содержат два последовательно соединенных ключа с обратными быстро восстанавливающимися диодами. В модуле на биполярном транзисторе с изолированным затвором реализовано последовательное соединение диода и транзистора с быстро восстанавливающимся диодом.
6.4. Тиристорные ключи
В качестве силовых ключей в аппаратах применяют однооперационные тиристоры SCR (Silicon Controiled Rectifier) и двухоперационные (запираемые) тиристоры GTO (Gate – turn – off).
Основной особенностью тиристора является наличие на вольт-амперной характеристике (см. рис. 6.10) участка (2) с отрицательным дифференциальным сопротивлением и, как следствие, работа тиристора в режиме переключения.
Перевод тиристора из закрытого состояния (участок 1 на ВАХ) в открытое состояние (участок 3 на ВАХ) может осуществляться внешним воздействием на прибор: изменением напряжения uпр между анодом и катодом; током упрвления iуп или световым потоком. По ВАХ тиристора и по нагрузочной прямой можно выделить точки, характеризующие работу прибора:
Uпер – напряжение переключения (при подаче напряжения на прибор в прямом направлении, равного или превышающего Uпер , тиристор переходит из непроводящего состояния в проводящее состояние);
Iпер - ток переключения (прямой ток, протекающий через прибор непосредственно перед переключением его в проводящее состояние при напряжении Uпер );
Iвыкл - ток выключения (при уменьшении тока через прибор до значения Iвыкл или ниже тиристор переходит в непроводящее состояние);
Iпр.тах – максимальный прямой ток;
∆Uпр - прямое падение напряжения на тиристоре при протекании через него максимального прямого тока.
Тиристоры используются как выключатели и как импульсные регуляторы мощности, передаваемой электроприемнику от источника.
Разновидности тиристоров, используемых в качестве силовых ключей, приведены на рис. 6.11.
В тиристорных ключах применяют полупроводниковые приборы различных типов:
асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен с встречновключенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока (рис. 6.11а);
симисторы - объединенные конструктивно пары встречновключенных тиристоров (рис. 6.11б). Вольт-амперная характеристика симистора (симметричного тиристора) аналогична ВАХ, показанной на рис. 6.10, но она симметрична относительно начала координат (в третьем квадранте располагаются такие же ветви ВАХ, как и в первом квадранте);
диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения (рис. 6.11в);
оптотиристоры, управляемые световым потоком (рис. 6.11г);
двухоперационные (запираемые) тиристоры (рис. 6.11д).
Запираемые тиристоры созданы с целью устранения неполной управляемости обычных тиристоров. Один из важнейших параметров двухоперационного тиристора – коэффициент отключения по току КI(выкл) , равный отношению выключаемого тока Iпр(выкл) в анодной цепи к соответствующему значению тока Iуп(выкл) в цепи управления, который вызывает переход тиристора из открытого состояния в закрытое состояние.
Среди двухоперационных тиристоров выделяют следующие типы:
запираемый тиристор GTO (Gate – turn – off), переключаемый в проводящее состояние и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;
тиристор GCT (Gate commutated thyristor), коммутируемый по управляющему электроду, отличающийся наличием интегральной схемы управления;
тиристор МСТ (MOS-control thyristor), содержащий два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а другой – аналогично – процесс выключения тиристора.
Тиристоры применяют в мощных ключах, поскольку они способны коммутировать цепи напряжением до 10 кВ с токами до 10 кА. Частота коммутации для наиболее мощных тиристорных ключей обычно не превышает 1 кГц. Современные образцы МСТ показывают способности коммутировать мощности выше 10 МВт при частоте 10 кГц.