Лекция 20. Силовые полупроводниковые приборы

К силовым приборам относятся управляемые полупроводниковые приборы, используемые в электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и в других силовых установках. Для снижения потерь силовые приборы в основном работают в ключевом режиме. К ним предъявляются следующие общие требования:

– малые потери при коммутации;

– большая скорость перехода из одного состояния в другое;

– малое потребление мощности по цепи управления;

– большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

В настоящее время разработаны и выпускаются приборы на рабочее напряжение свыше 6 кВ и на токи до 1000 А. Допустимые рабочие частоты доходят до 1 МГц.

В качестве силовых приборов используются мощные биполярные и униполярные транзисторы, БТИЗ и транзисторы со статической индукцией (СИТ и БСИТ). Специально для целей силовой электроники разработаны мощные четырехслойные приборы – тиристоры и симисторы. Тиристоры

делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры). Рассмотрим эти приборы более подробно.

1. Динисторы

Динистор – это прибор с тремя p – n переходами и двумя выводами для включения в схему. Под действием приложенного напряжения он способен переходить из закрытого в открытое состояние. Благодаря этому свойству динисторы применяются в цепях коммутации высоких мощностей и импульсных схемах информационной электроники.

Структура динистора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности, например, n-p-n-p или p-n-p-n (рис. 20.1, а). В такой структуре есть три выпрямляющих p-n перехода и два вывода. Вывод от крайней области полупроводника p – типа называется анодом и обозначается индексом А. Другой вывод называется катодом и обозначается индексом К. Крайние p – n переходы и крайние области полупроводника называются эмиттерными. Средний p – n переход и соседние с ним области называются базовыми. Схемное обозначение динистора показано на рис. 20.1, б.

Рассмотрим процессы, происходящие в динисторе, при прямом включении (плюс – к аноду, минус – к катоду). При таком включении крайние p-n переходы П₁ и П₃ открыты, а средний П₂ (базовый) – закрыт. Поэтому напряжение внешнего источника, в основном падает на базовом переходе, а динистор представляет собой диод при обратном включении. Поэтому и первый участок ВАХ динистора (рис.20.1, в) похож на обратную ветвь ВАХ диода.

Под действием приложенного напряжения дырки из р области эмиттера инжектируются в n базу и втягиваются полем базового перехода в р базу. Дальнейшему продвижению дырок препятствует небольшой потенциальный барьер коллекторного р-n перехода (на рис. 20.1, а не показан). Поэтому часть дырок задерживается и, скапливаясь, образует избыточный положительный заряд. Этот заряд понижает высоту потенциальных барьеров базового П₂ и эмиттерного П₃ переходов, а также способствует увеличению инжекции электронов из n - области коллектора в р - область базы.

Поле потенциального барьера закрытого р-n перехода базы П₂ втягивает электроны в n –область базы. Скапливаясь, они также образуют избыточный заряд, снижающий потенциальные барьеры эмиттерного П₁ и базового П₂ р-n переходов.

Величина избыточных зарядов в базовых областях тем больше, а высота потенциального барьера на базовом переходе П₂ тем меньше, чем больше напряжение . При некотором значении U_а = U_вкл высота потенциального барьера базового перехода уменьшается до значения, соответствующего прямому включению. Сопротивление базового перехода и падение напряжения на нем резко уменьшаются (участок II ВАХ), а ток скачком увеличивается.

Таким образом, при подаче на динистор прямого напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: закрытом или открытом. Закрытому состоянию динистора соответствует участок I ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения А.

Токи, протекающие через последовательно соединенные переходы динистора, должны быть одинаковы, т. е.

. (20.1)

Обозначим коэффициенты передачи токов эмиттерных переходов α₁ и α₃. Учтем, что через закрытый переход П₂ протекает обратный ток I_о. Тогда

можем записать:

. (20.2)

Учитывая (20.1), перепишем (20.2) в виде

(20.3)

Значение коэффициентов передачи токов эмиттерных переходов α₁ и α₃ увеличивается с увеличением прямого напряжения. При достижении α₁ + α₃ =1 ток I_э устремится в бесконечность. Происходит переключение динистора из закрытого состояния в открытое.

После включения динистора его ток ограничивается только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2 В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде.

Выключить динистор можно размыканием цепи питания, шунтированием прибора, снижением тока до значения I_выкл или подачей обратного напряжения.

К основным параметрам динисторов относится:

– допустимое обратное напряжение;

– напряжение включения ;

– максимально допустимый прямой ток;

– минимальный прямой ток через прибор в открытом состоянии;

– максимально допустимая мощность и др.