1. Высокое быстродействие, определяемое только временем заряда и разряда емкости стока.

Малое потребление мощности в цепи управления, ток от схемы управления протекает только в моменты заряда и разряда входной емкости ключа. Схема управления часто реализуется в интегральном исполнении.

Возможно параллельное соединение нескольких транзисторов. При параллельном соединении проявляется эффект самовыравнивания токов, протекающих через каждый транзистор. Основной недостаток – это большая мощность, выделяемая на транзисторе в открытом состоянии, она пропорциональна квадрату тока.Сравним мощность , выделяемую на коллекторе биполярного транзистора, у которого напряжение насыщения величина постоянная, не зависимая от тока = 0.1 В х 50А=5 ВА. Мощность, выделяемая на стоке полевого транзистора, =(50 А)^{2 х} 0.1 Ом=250 ВА. Сравнение явно не в пользу полевого транзистора.

6 .Биполярные транзисторы с изолированным затворомСтремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), который в переводной литературе называется IGBIT. Он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии, что характерно для биполярного транзистора. Высокое входное сопротивление, малые затраты энергии на управление ключом являются преимуществом полевых транзисторов. Структура транзистора БТИЗ (рисунок 13.8) подобна структуре полевого силового транзистора, но дополнена еще одним переходом.

Рисунок 13.8 - Структура биполярного транзистора с изолированным затвором

Рисунок 13.9 - Эквивалентная схема (а), условное графическое обозначение (b) биполярного транзистора с изолированным затвором

Работу ключа можно объяснить с помощью эквивалентной схемы (рисунок 13.9,b). Транзисторы VT1 и VT2 двух транзисторную модель тиристора, которая имеет глубокую положительную внутреннюю обратную связь, т.к. ток базы каждого транзистора определяет ток коллектора другого.

. , , , где - эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором, которая в десятки раз превышает крутизну МОП.Другим достоинством БТИЗ является значительное снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Это объясняется тем, что сопротивление канала шунтируется двумя насыщенными транзисторами, включенными последовательно. Процесс включения БТИЗ можно разделить на два этапа: открытие полевого транзистора и открытие транзисторов VT1, VT2. Задержка в открытии полевого транзистора, в основном, определяется зарядом входной и проходной емкостей, а включения тиристорной структуры VT1,VT2 происходит очень быстро под действием положительной обратной связи.При запирании транзистора первоначально закрывается полевой транзистор, закрытие канала которого приводит к разрыву цепи ПОС и к закрытию транзистора VT1, а затем - VT2. Быстродействие БТИЗ выше, чем биполярных транзисторов, но меньше, чем полевых.В настоящее время транзисторы БТИЗ выпускаются в виде модулей, которые содержат несколько элементов (рисунок 13.10).Рисунок 13.10 - Схемы модулей на БТИЗ транзисторах (а - БТИЗ транзистор с инверсным диодом; b – однофазный полумост; с,d – прерыватели)Кроме показанных модулей выпускаются анодные и катодные группы трехфазных мостов и полный трехфазный мост.Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления - драйвер конструктивно компактна. Драйверы выпускают в интегральном исполнении в виде микросхем специального назначения. Существуют драйверы анодных и катодных ключей трехфазного моста, а также драйверы мостовых и полумостовых модулей. Наиболее целесообразно располагать цепи драйвера в непосредственной близости от силового ключа. Часто драйверы выполняются в одном корпусе с модулем, образуя силовой гибридный интегральный модуль (СГИМ). В гибридный модуль вводят элементы защиты по току, напряжению и температуре кристалла, а также системы диагностирования, обеспечивающие защиту от исчезновения управляющего сигнала, одновременной проводимости в противоположных плечах силовой схемы, исчезновения напряжения источника питания и других аварийных явлений. Схема такого модуля показана на рисунке 13.11.

Рисунок 13.11 - Схема интеллектуального модуля однофазного полумостаВ ряде случаев предусматривается система управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и однокристальная ЭВМ. Такие модули называют интеллектуальными, в зарубежной практике они получили название Intelligent Power Modules (IPM).

7.МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

8. Однофазный управляемый выпрямитель со средней точкойРассмотрим схему однофазного управляемого выпрямителя со средней точкой изображенную на рисунке 14.1.

Рисунок 14.1 - Схема однофазного управляемого выпрямителя

со средней точкой

Схема состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого имеет среднюю точку; двух тиристоров, момент открытия которых определяется управляющими импульсами, поступающими со схемы управления СУ. Момент поступления управляющих импульсов может быть сдвинут относительно начала синусоиды напряжения на некоторый угол , который называют углом управления.

9. Работа схемы на активную нагрузку На схеме (рисунок 14.1) ключ замкнут, а разомкнут, выпрямитель работает на активную нагрузку . Работа схемы иллюстрируется временной диаграммой (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2 - Временная диаграмма работы однофазного выпрямителя со средней точкой и активной нагрузкой при >0

От источника питания к каждому тиристору приложено напряжение питания: в интервале 0 -  положительное напряжение приложено к тиристору VT1, а к вентилю VT2 - отрицательное напряжение. Но тиристор VT1 закрыт, так как с системы управления не поступает импульс на управляющий электрод (интервал 0-1). В момент времени 0<t<, то есть >0 (с задержкой на угол  относительно момента перехода напряжения источника питания через нуль) на управляющий электрод вентиля VT1 подается управляющий импульс (точка 2) и тиристор VT1 открывается, через тиристор и нагрузку начинает протекать ток , равный току тиристора (интервал 1-2). Тиристор VT1 будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока напряжение, приложенное к нему, не пройдет через нуль и не изменит свою полярность, то есть тиристор VT1 выключится в момент времени равное t=, в закрытом состоянии к нему прикладывается обратное напряжение, равное отрицательному напряжению источника питания.Начиная с момента времени t= (точка 2), оба тиристора находятся в закрытом состоянии и напряжение u_d=0. В момент времени t=+ (точка 3) управляющий импульс поступает на управляющий электрод тиристора VT2 и открывает его, тогда через нагрузку течет ток, равный току тиристора VT2.Обратим особое внимание на характер изменения анодного напряжения на одном из тиристоров (рис.2). На интервале 0-1 к тиристору VT1 приложено напряжение , на интервале 1-2 тиристор открыт, напряжение на нем близко к нулю, а затем приложено напряжение , которое на интервале 2-3 становится отрицательным. На интервале 3-4, когда открывается тиристор VT2, к аноду тиристора VT1 будет приложена сумма напряжений и . Обратное напряжение, приложенное к тиристору, достигает значения , что следует учитывать при расчете схемы.Из временной диаграммы на рисунке 14.2 видно, что между значениями тока и напряжения существует сдвиг фаз. На этот сдвиг стоит обратить внимание в виду того, что сдвиг фаз осуществляется даже причисто активной нагрузке.Указанные процессы повторяются в каждом периоде. Возможность осуществлять задержку по фазе моментов включения вентилей на определенный угол  позволяет изменять среднее значение выходного напряжения. Зависимость напряжения от угла  называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя. Эта зависимость выражается следующей формулой:

и получим, что где – среднее значение напряжения на нагрузке при =0.Среднее значение выпрямленного тока будет равно: Среднее значение тока тиристоров связано с током соотношением:

Ф ормы выходного напряжения при различных углах  представлены на рисунке 14.3.

Рисунок 14.3 - Формы выходного напряжения

при различных углах управления

10.Работа схемы на активно – индуктивную нагрузкуПри разомкнутом ключе в схеме в цепь нагрузки включена индуктивность , которая обычно исполняет роль фильтра переменной составляющей выпрямленного напряжения. Наличие в цепи нагрузки индуктивности существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. В данном случае форма выпрямленного тока будет зависеть от индуктивности , частоты выпрямленного напряжения , сопротивления .Индуктивность согласно закону коммутации не позволяет мгновенно изменяться току , т.е. препятствует нарастанию тока и стремится удержать его спад. Из временной диаграммы (рисунок 14.4) видно, что наличие индуктивности в цепи постоянного тока при изменяет характер протекания тока через тиристоры. После открытия тиристора ток начинает медленно нарастать, т.к. в это время происходит накопление энергии в индуктивности.

Рисунок 14.4 - Временная диаграмма работы выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке в режиме прерывистого токаПри прохождении напряжения на вторичной обмотке через ноль (точка 2) ток цепи открытого тиристора будет поддерживаться за счет энергии, запасенной в индуктивности до момента снижения тока до нуля. Такой режим называют режимом прерывистого тока. В выпрямленном напряжении появится отрицательный выброс, интервал проводимости тиристора будет больше, чем .

При увеличении индуктивности, энергии, запасенной в ней будет достаточной, чтобы поддержать ток до момента открытия тиристора VT2 (рисунок 14.5). Ток носит непрерывный характер, интервал проводимости тиристора будет равен

Р исунок 14.5 - Временная диаграмма работы выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока.Большая величина является характерным случаем при использовании выпрямителя на практике. Управляемый выпрямитель часто работает на электрическую машину постоянного тока, при этом справедливо . Ток через нагрузку становится постоянным, а через тиристор - имеет прямоугольную форму, как показано на диаграмме (рисунок 14.6).

Р исунок 14.6 - Временная диаграмма работы однофазного выпрямителя со средней точкой при активно-индуктивной нагрузке

Регулировочная характеристика , определяемая из выражения

(14.5)

описывается соотношением: