4. Сравнительная характеристика п/п вентилей.

Быстрое развитие микроэлектроники оказывает столь большое влияние на силовую электронику, что можно говорить о качественно новой ступени развития последней.

Современное состояние силовой электроники зависит от уровня развития силовых вентилей и устройств информационной электроники, используемых непосредственно в преобразователях. В течение почти 70 лет находили применение вакуумные и газоразрядные вентили, а также механические и селеновые выпрямители. В настоящее время эти вентили почти полностью заменены приборами на основе монокристаллического кремния, такими как кремниевые диоды, тиристоры, симисторы, биполярные и полевые силовые переключающие транзисторы. Силовые полупроводниковые приборы позволяют удовлетворять самые разнообразные запросы потребителей в отношении напряжения и тока. На их основе созданы выпрямители весьма большой мощности для электрохимии и для питания регулируемых двигателей постоянного тока, а также инверторы для установок гарантированного питания, преобразователи для индукционного нагрева и другие преобразователи с высокими динамическими показателями и КПД при меньшей массе и объеме.

Полупроводниковые вентили являются основными приборами энергетической электроники. Их свойства особенно подходят для специальных областей применения. Важнейшие параметры полупроводниковых вентилей даны в таблице 2.1.

Полупроводниковые вентили энергетической электроники

Вид прибора или модуля	Верхний уровень предельных тока и напряжения	Другие параметры, особые свойства
Диоды	3 кА; 5 кВ 1,5 кА; 2 кВ	Для работы при частоте сети Для повышенной частоты, trr<2 мкс
Эпитаксиально- Планарные диоды	100 А; 200 В	Прямое падение напряжения менее 1В
Диоды Шоттки	100 А; 60 В	trr<0,1 мкс
Тиристоры: с комбинированным включением запираемые (двухоперационные)	3 кА; 5 кВ 1,5 кА; 2 кВ	Для работы на частоте сети tg<400 мкс Для повышенной частоты или для автономных преобразователей tg<60 мкс(dUp/dt)crit до 1000 В/мкс(dIt/dt)crit до 100 - 400 А/мкс при наличии поперечного поля в эмиттере до 10 А/мкс, с отрицательным током управления при запирании, tg< 30мкс
Симисторы (триаки)	150 А; 500 В 50 А; 1200В	Низковольтные toff<5мкс Высоковольтные toff<10мкс Для особых типов коэффициент передачи тока 5; для составного транзистора (по схеме Дарлингтона) – 20
Полевые транзисторы	50 А; 100 В 5 А; 1000 В	Управление напряжением, Малое время переключения
Вентильные модули	160 А; 1,6 кВ	Две ветви или полная мостовая схема на диодах или тиристорах в общем корпусе, основание корпуса изолировано
Полупроводниковые реле	50 А; 600 В переменного тока 20 А; 250 В постоянного тока	Схема на симисторе или на транзисторах с узлом управления для регулирования или бесконтактного переключения нагрузки toff – время выключения.

5. Физические основы и конструкция п/п диодов.

Материалом для вентилей служит монокристаллический полупроводник - главным образом кремний. Если полупроводниковый материал получает энергию в виде тепла, световых квантов или на него действуют электрические поля, в нем возникают подвижные свободные электроны (имеющие отрицательный заряд) и дырки, т.е. атомы кристаллической решетки полупроводника, имеющие дефицит (отсутствие) электрона (положительный заряд), благодаря этому возникает незначительная собственная электрическая проводимость полупроводника. За счет добавки небольшого количества примесных атомов (легирования донорными или акцепторными примесями) в полупроводниковом материале образуются зоны, в которых концентрация электронов или дырок сильно увеличена (соответственно n-зоне или p-зоне). При легировании элементов 4 группы периодической таблицы Менделеева - германия и кремния 3-х валентной примесью получают полупроводник p-типа, а при легировании 5-ти валентной примесью получают полупроводник n-типа. В каждой из зон концентрация подвижных носителей заряда противоположной полярности снижается за счет воссоединения электронов и дырок (процесс рекомбинации). Подвижные носители заряда, имеющиеся в каждой зоне в большем количестве, называются основными (например, электроны в n-зоне), имеющиеся в меньшем количестве - не основными (например, дырки в n-зоне). Разность концентраций основных и не основных носителей в легированном полупроводнике составляет несколько порядков.

Эти зоны в целом электрически нейтральны, так как каждому свободному электрону соответствует неподвижный положительно заряженный атом примеси (донорный ион), а каждой свободной дырке - неподвижный отрицательно заряженный атом примеси (акцепторный ион). Через границу разделов полупроводниковых зон электроны из-за разности концентрации диффундируют из n-зоны в p-зону и дырки - из p-зоны в n-зону (рис. 2.1, а).

Вследствие этого результирующий заряд донорных и акцепторных ионов по обе стороны границы раздела зон уже не нейтрализуется подвижными носителями заряда и в р-зоне возникает отрицательный объемный заряд, а в n-зоне - положительный. Между обеими зонами возникает разность потенциалов U, и в прилегающих к границе слоях действует электрическое поле, ограничивающее диффузию основных носителей и способствующее прохождению через p-n переход неосновных носителей. В результате устанавливается равновесие, при котором отсутствует обмен носителями заряда между зонами. Область действия электрического поля практически свободна от подвижных носителей заряда. Слой объемного заряда, расположенный по обе стороны границы раздела, называется запирающим, сопротивление его велико.

Если положительный полюс внешнего источника напряжения подключить к p-зоне, а отрицательный - к n-зоне, то от источника напряжения в p-зону через p-n переход будут поступать электроны, а в n-зону - дырки. Поэтому слой объемного заряда сократится, разность потенциалов между зонами уменьшится, запирающий слой будет заполняться носителями заряда и через него потечет ток (прямой ток) (рис. 2.1, б) при относительно небольшом прямом напряжении на переходе.

Если же соединить положительный полюс источника напряжения с n-зоной, а отрицательный - с p-зоной, то электроны в n-зоне устремятся к положительному, а дырки в p-зоне - к отрицательному электроду. Слой объемного заряда расширяется, а U возрастает в соответствии с приложенным U, называемым обратным (рис. 2.1, в). Через р-n переход будет протекать обратный ток, определяемый не основными носителями.

Рис. 2.1. p-n переход в различных режимах работы

а - при отсутствии внешнего напряжения; б - при наличии отпирающего (прямого) напряжения от внешнего источника; в - при наличии запирающего (обратного) напряжения от внешнего источника;  - объемный заряд; U - напряжение на границе раздела; U - потенциальный барьер на p-n переходе; X - текущая координата от границы раздела П; W - ширина запирающего слоя (слоя объемного заряда)

6. Принцип работы и конструкция тиристора.

Тиристор-это п/п прибор состоящий из 2 или 1-го p-n переходов,являющийся нелинейным элементом в эл.цепиВ тиристоре различают три р-n перехода П1, П2, П3 (рис. 2.4). В запертом состоянии (катод положителен, анод отрицателен ) переходы П1 и П3 смещены в обратном, а П2 - в прямом направлении, из-за чего переход П3 воспринимает практически все запирающее U, т. к. из-за наличия широкой n-базы пробивное U этого перехода оказывается высоким.

Рис. 2.4. Структура тиристора: стрелки показывают прохождение токов при включении по управляющему электроду (    ток управления; —  анодный ток в начале процесса включения)

При подаче прямого U( катод «–», анод «+») переходы П1 и П3 смещены в прямом, а П2 - в обратном направлении, т.е. переход П2 воспринимает все приложенное U, и тиристор остается в запертом состоянии. Если приложенное U повысится, ток ч/з прибор возрастет и запирающие св-ва перехода П2 снизятся. Когда анодное U превысит U перек-ия, тиристор переходит скачком (перекл-ся) во вкл состояние (включение " по анодной цепи "). Резкое возрастание анодного I при анодном U, меньшем напряжения перек-ия, может также иметь место, если превышена допустимая тем-ра запирающего слоя или превышена критическая скорость нарастания анодного U (в этом случае сказывается наличие емкостей p-n переходов). В большинстве случаев тиристоры вкл с помощью «+»импульсов, подаваемых на управляющий электрод (включение “по цепи управления”). При этом в области А полупроводникового перехода П2 (рис. 2.4) протекает прямой I и вкл состояние перехода расширяется со скоростью примерно 0,1 мм/мкс. Если при вкл тиристора превышается критическая скорость нарастания анодного I, то первоначально вкл-ая небольшая область кремниевой шайбы может так сильно нагреться, что тиристор выйдет из строя. Когда анодный I снижается до значения, меньшего I удержания, тиристор переходит в запертое состояние. Обычно запирание проводящего I тиристора производится путем подачи обратного U.

Рис. 2.5. Вольт-амперная характеристика тиристора:

ПС - проводящее состояние; БС - прямое блокирующее состояние; штриховая часть - характеристики область отрицательного сопротивления; ЗС - обратное запертое состояние; u_T,i_T - прямые U и ток при ПС; u_D, i_D - прямые U и ток при БС; u_R, i_R - обратные U и ток при ЗС; U_(BO) - U переключения; U_(BR) - U пробоя; I_Н — ток удержания

У большинства диодов и тиристоров метал-й корпус имеет потенциал анода либо катода прибора. Более удобны для конструирования преобр-лей приборы с изолир корпусом или основанием, ч/з которое происходит отвод тепла. В быстродействующих и частотных тиристорах скорость распр-ия вкл состояния p-n перехода особенно высока; это достигается с помощью сильно разветвленной поверхности управляющего электрода или с помощью специальной вспомогательной тиристорной структуры, созданной на той же кремниевой шайбе. При этом уменьшаются потери мощности в тиристоре при включении, что позволяет использовать эти приборы на частотах до 10 кГц. В тиристорах с комбин-ым вык «-» импульс I управления ускоряет процесс выкл анодного I, вызванный подачей на прибор обратного анодного U; это позволяет упростить коммут-ый узел в преобр-х с принудительной коммутацией. Запираемые (двух операционные) тиристоры не нуждаются для вык в подаче обратного U на анод и, соответственно, в допол-ом коммутирующем устройстве; они м/б вык с помощью «-» импульса I управления с амплитудой, составляющей примерно 1/5 анодного I, который необходимо прервать. Тиристоры последних 3-х типов обычно используются лишь в специальных случаях, т.к их «+» свойства достигаются преимущественно за счет ухуд-я других пар-ов; кроме того, из-за небольшого кол-ва выпускаемых приборов этих типов и более сложной технологией изготовления их стоимость высока.