Полупроводниковые преобразователи

Определение п.п. приборов и принцип действия (типы проводимостей).

Техника полупроводниковых приборов стала самостоятельной областью электроники. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах.

На всем протяжении развития радиотехники широко применялись кристаллические детекторы, представляющие собой полупроводниковые выпрямители для токов высокой частоты. Для выпрямления постоянного тока электрической сети используют купроксные и селеновые полупроводниковые выпрямители. Однако они непригодны для высоких частот.

Ещё в 1922 г. сотрудник Нижегородской радио лаборатории О.В. Лосев получил генерирование электрических колебаний с помощью кристиллического детектора и сконструировал приёмник "Кристадин", в котором за счет генерации собственных колебаний получалось усиление принимаемых сигналов. Он имел значительно большую чувствительность, нежели обычные приемники с кристаллическими детекторами. Открытие Лосева, к сожалению, не получило должного развития в последующие годы. Полупроводниковые триоды, получившие названия транзисторов, предложили в 1948 г. американские ученые Бардин, Браттейн и Шокли.

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:

· Малый вес и малые размеры.

· Отсутствие затраты энергии на накал.

· Большой срок службы (до десятков тысяч часов).

· Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

· Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

· Маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях.

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:

· Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

· Свойства приборов сильно зависят от температуры.

· Работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Транзисторы могут работать почти во всех устройствах, в которых применяются вакуумные лампы. В настоящее время транзисторы успешно применяются в усилителях, приёмниках, передатчиках, генераторах, измерительных приборах, импульсных схемах и во многих других устройствах.

Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний - это четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парно-электронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парно-электронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.

Электронная проводимость.

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток. Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10-17 до 10-24 1/мЗ. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парно-электронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу. Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.

Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в -германии при комнатной температуре пе=3*10*23 смЗ. В то же время число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10*23. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников открывает широкие возможности для практического применения.

Донорные примеси. Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — не основными. Акцепторные примеси.

Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парно-электронных связей с соседями атому индия не достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля дырки перемешаются по полю и возникает дырочная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электронной называют полупроводниками р-типа (от слова positiv — положительный). Электронно-дырочный переход

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или р-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких р-n переходов.

Пусть внешнее напряжение отсутствует (рис. 1). Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т.е. имеют некоторые тепловые скорости, то и происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Как и в любом другом случае диффузии, на пример наблюдающейся в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где их концентрация мала. Таким образом, из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки.

Рис. 1 - Р-N переход.

Это диффузионное перемещение носителей показано на рисунке 1 сплошными стрелками. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух проводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области п возникает положительный объемный заряд. Он образован положительно заряженными атомами донорной примеси и прошедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле. Перемещение неосновных носителей зарядов под действие поля, называемое дрейфом носителей. Каждую секунду через границу впротивоположных направления диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Перемещение носителей за счет диффузии называют диффузным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии перехода, эти токи противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.

Рассмотрим наиболее распространенные полупроводниковые приборы.

Силовые диоды.

Принцип . действия полупроводникового диода основан на использовании свойств р-n электронно-дырочного перехода, возникающего в полупроводниковой пластине между двумя слоями с различными типами электрической проводимости.

На рис. 2 изображена вольт-амперная характеристика р-n перехода. В ней можно выделить две ветви: прямую (А) и обратную (Б). Прямая ветвь характеризуется малыми значениями прямого напряжения на р-n переходе, а обратная— малыми значениями тока (называемого обратным), обуслов­ленного неосновными носителями заряда. Однако если обратное напряжение, приложенное к р-n переходу, превысит определенное значение, то возникнет электрический пробой р-n перехода, характеризующийся резким возрастанием обратного тока при незначительном изменении обратного напряжения.

Рис. 2 — Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

В силовых диодах пробой обычно обусловлен ударной ионизацией атомов кристалла свободными носителями заряда и называется лавинным. Возникновение лавинного пробоя приводит к выходу диода из строя (из-за резкого повышения выделяемой при этом мощности), если при его изготовлении не предусмотрены специальные технологические мероприятия, которые позволяют ограничить выделяемую мощность при протекании обратного тока.

Диоды, рассчитанные на работу в условиях кратковременных обратных перенапряжений с наступлением лавинного пробоя, называются лавинными или с лавинной характеристикой. Такие диоды используются также в качестве стабилитронов, т. е. приборов, на которых при пробое сохраняется практически постоянное напряжение, несмотря на резкое возрастание обратного тока. При приложении прямого напряжения вольт-амперная характеристика лавинного диода такая же, как и у обычного диода (ветвь А на рис. 2).

Основными параметрами, характеризующими возможности диодов, являются предельно допустимые значения повторяющегося импульсного обратного напряжения и максимального среднего прямого тока (усредненного по всему периоду для периодических токов).

Кроме предельных параметров, важными параметрами являются: -прямое напряжение (напряжение па выводах диода, обусловленное прямым током)

-обратный ток (ток через диод при приложении обратного напряжения)

-время обратного восстановления (параметр, характеризующий время восстановления блокирующих свойств диода).

Указанные параметры обычно приводятся в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах—в технических условиях на прибор.

При выборе диода но условиям предельно допустимого тока следует учитывать эффективность охладителя, совместно с которым используется диод.

Иначе говоря, предельное значение тока рассчитывается из условий охлаждения прибора для каждого конкретного типа охладителя.

Силовые диоды имеют различное конструктивное исполнение (штыревое, таблеточное и др.), которое в свою очередь определяет конструкцию охладителя.

Основные сведения о конструктивном исполнении и параметрах диода содержатся в его обозначении. Так, например, в условном обозначении диода Д161-200-5-1,25-1,35 буква Д соответствует виду прибора (если диод имеет лавинную вольт-амперную характеристику в зоне обратного напряжения, то к букве Д добавляется буква Л, а цифры 161 указывают на определенные конструктивные признаки. Остальные цифровые обозначения указывают на то, что максимально допустимый средний прямой ток 200 А, повторяющееся импульсное обратное напряжение 500 В (5-й класс прибора по напряжению), пределы изменения импульсного прямого напряжения от 1,25 В до 1,35 В. Информация о знамениях прямого напряжения является важной для диодов, предназначенных для параллельной работы. Для диодов с нормируемым значением времени обратного восстановления (быстровосстанавливающихся) в обозначение добавляется цифра 4 и указывается группа, соответствующая конкретному значению времени восстановления. Например, обозначение Д4-161-200-5-2, в отличие от Д-161 -200-5, свидетельствует о том, что диод нормирован не только по току (200 А) и классу обратного напряжения (500 В), но и имеет гарантированное значение времени обратного восстановления не менее 4 мкс, что соответствует группе 2.

В настоящее время созданы силовые диоды на токи свыше 1000 А и напряжения свыше 1000 В.

При последовательном и параллельном соединениях диодов из-за несовпадения их вольт-амперных характеристик возникают неравномерные распределения напряжений или токов между отдельными диодами. На рис. 3 представлены схемы: последовательного (рис. 3, а) и параллельного соединения двух диодов. Там же представлены прямые (рис. 3,г) и обратные (рис. 19,в) ветви вольт-амперных характеристик соединяемых диодов. Согласно приведенным вольт-амперным характеристикам при после­довательном соединении диодов, приложенное к ним обратное напряжение Ur при одинаковых обратных токах 1г распределяется между диодами неравномерно: к диоду VD1 прикладывается напряжение Url, а к диоду VD2— напряжение Ur2 (рис. 3, в). При параллельном соединении диодов протекающий через них общий ток If при одинаковых прямых падениях напряжения Uf распределяется также неравномерно: через диод VD1 протекает ток If 1, а через диод VD2 ток И2 (рис. 3,г). Для исключения выхода из строя диодов из-за перегрузки по току или перенапряжений принимают специальные меры по выравниванию указанных параметров между отдельными диодами. При последовательном соединении диодов для выравнивания напряжений обычно используются резисторы, включенные параллельно диодам, а при параллельном соединении — индуктивные делители различных типов.

Рис. 3 - Последовательное и параллельное соединение диодов.

Значительно более,: высоким быстродействием при сравнении с обычными кремниевыми диодами обладают диоды Шоттки (для мощных приборов десятки наносекунд). В основе механизма их действия лежат электрофизические процессы, возникающие при контакте между металлом и полупроводником. Основным преимуществом по сравнению с обычными диодами с р-n переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей при прямом смещении перехода. В результате этого накопление и рассасывание основных носителей имеют малую инерционность, обусловленную только барьерной емкостью контакта. Современные мощные диоды Шоттки выпускаются на низкие (десятки вольт) напряжения и токи (сотни ампер).

Кроме диодов Шоттки разработаны еще две группы быстродействующих диодов: диффузионные р-n диоды и эпитаксиальные, в зависимости от технологии их изготовления. Эти приборы рассчитаны на более высокие напряжения. Наиболее высоковольтными (800—1600 В) являются диоды, изготовленные по диффузионной технологии. По значению прямого напряжения быстродействующие силовые диоды распределяются следующим образом: диоды Шоттки 0,5—0,9 В; эпитаксиальные 0,8—1,3 В; диффузионные 1,1 —1,6 В.

Силовые транзисторы.

Биполярные транзисторы. Этот тип приборов длительный период времени был практически единственным полностью управляемым силовым полупроводниковым ключевым элементом. Основой биполярного транзистора является трехслойная полупроводниковая структура, в которой чередуются слои с электропроводностью р- и n-типа. Наличие в структуре двух типов полярностей и обусловило термин «биполярный». Средний слой структуры биполярного транзистора может быть изготовлен как с электропроводностью р-, так и n-типа (тогда соответственно транзисторы называются р -п -р или п -р -п типа). На рис. 4 а, б представлены структура, символические обозначения и внешние цепи транзисторов р-п-р и п-р-п типов. Для работы транзисторов в усилительном или ключевом, режиме к р-п переходам прикладываются внешние напряжения.

В транзисторе типа p-n-р левая область является Источником потока дырок и называется эмиттером (Е), а правая, которая собирает инжектированные дырки,— коллектором (С). Средняя область называется базой (В). В транзисторе n-p-п, наоборот, правая область является эмиттером, а левая коллектором. Для того чтобы в цепях коллектора и эмиттера начал протекать ток, необходимо на эмиттерный р-n переход подать прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. При этом значение коллекторного тока зависит от значения, тока базы. Следовательно, транзистор является полностью управляемым прибором.

Вольт-амперные характеристики тока коллектора ic в функции напряжения между коллектором и эмиттером Uce при разных значениях тока базы приведены на рис. 5. В преобразовательных устройствах силовые транзисторы обычно используются в качестве ключевых элементов, т. е. работают в режиме переключения из области насыщения (соответствует включенному состоянию — кривая А) в область отсечки (выключенное состояние — кривая Б). Рабочая точка при этом находится либо на кривой А, либо на кривой Б; соответственно ее положение определяет в первом случае падение напряжения на полностью открытом транзисторе, а во втором—ток утечки закрытого транзистора.

Рис. 4 - Структуры и внешние цепи биполярных транзисторов.

Рис. 5 - Вольт-амперные характеристики

биполярного транзистора.

Рис. 6 - Диаграммы изменения тока, напряжения и мощности транзистора при переключении: а-диаграммы тока коллектора 1с и напряжения коллектор-эмиттер Uce; б - диаграмма мгновенного значения мощности Рт.

Основными параметрами, используемыми при выборе типа силового биполярного транзистора, являются следующие:

-максимально допустимый импульсный ток коллектора;

-максимально допустимое импульсное напряжение коллектор — эмиттер;

-статический коэффициент передачи тока;

-максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора;

-времена включения и выключения, определяющие быстродействие транзистора в ключевых режимах.

Силовые биполярные транзисторы обычно изготавливаются на основе кремния и обозначаются по действующим стандартам буквами ТК и далее набором цифр, характеризующих конструктивное исполнение, допустимые значения токов и напряжений, значение напряжения насыщения и т. д. Например, транзистор ТК 152-80-3-1 имеет штыревое исполнение с жестким выводом, допустимый импульсный ток коллектора 80 А, класс напряжения 3 (300 В) и группу по напряжению насыщения 1 (0,6 В).

При использовании силовых транзисторов в качестве ключевых элементов следует учитывать, что на интервалах переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот в структуре транзистора выделяется повышенная мощность. Это обусловлено конечными значениями времен спадания и нарастания тока и напряжения на транзисторе (рис. 6 а, б). Зависимости, характеризующие изменения токов и напряжений на интервалах коммутации, называются траекториями переключения.

Рис. 7 - Включение дополнительных цепей, формирующих траекторию переключения транзистора.

Для исключения выхода из строя транзистора из-за превышения выделяемой при переключениях мощности принимают специальные схемотехнические меры, изменяющие траектории переключения таким образом, что выделяемая при переключениях мощность уменьшается. Кроме того, при использовании транзистора в импульсном режиме, особенно при повышенных частотах, значения коммутируемых токов и напряжений должны быть значительно меньше предельно допустимых. Обычно они соответствуют 50—60% от предельно допустимых значений. В целом указанные меры принимаются для обеспечения работы транзисторов в так называемой области безопасной работы. Эта область обычно определяется экспериментально для определенного типа транзистора с учетом конкретных условий его использования. В качестве примера на рис. 7 представлена схема транзистора VS с цепью, формирующей траекторию переключения. Конденсатор С этой цепи затягивает нарастание напряжения на транзисторе, а реактор L ограничивает скорость нарастания тока при включении. Резисторы R1 и R2 поглощают энергию, накопленную в этих элементах при коммутации. Диод VD отделяет цепь сброса энергии реактора L от RC-цепи. Увеличение длительности фронтов нарастания напряжения и тока при выключении; и включении транзистора приводит к уменьшению мгновенных значений мощности, выделяемой при коммутации. При определенных параметрах цепи мощность может быть равна нулю. Однако очевидно, что этот эффект достигается ухудшением частотных свойств ключевого элемента. Кроме того, наличие RC-цепи усложняет ключевой элемент и приводит к выделению активной мощности в активных ее элементах.

В настоящее время разработано много типов силовых биполярных транзисторов в монокристальном исполнении. В то же время некоторые зарубежные фирмы продолжают направлять свои усилия на дальнейшее совершенствование этих приборов. В результате в настоящее время появились новые образцы транзисторов с коммутируемой мощностью до 100 кВт при напряжениях до 1000 В.

Силовые МОП-транзисторы. Существенным недостатком силовых биполярных транзисторов является большое значение токов управления ими, а также относительно низкое быстродействие. Развитие новых технологий в области полупровод­никовых приборов привело к созданию силовых МОП-транзисторов, которые начинают успешно конкурировать с биполярными транзисторами в области силовой электроники.

Силовые МОП-транзисторы (выполненные на основе металл— оксид — проводник) относятся к классу полевых транзисторов, в которых управление осуществляется "электрическим полем. Полевые транзисторы являются" униполярными приборами, так как протекание тока в них обусловлено перемещением носителей заряда одною знака в продольном электрическом поле. Регулирование значением тока осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Это обусловливает высокое входное сопротивление полевых транзисторов. В структуре МОП-транзистора можно выделить две сильнолегированные области противоположного типа проводимости по сравнению с остальным слоем чистого или слаболегированного кремния, называемого подложкой. Эти две области являются электродами полевого транзистора для подключения к основной силовой цепи и называются сток D и исток S (рис. 2,а). Управляющий электрод-затвор G изолирован от подложки слоем диэлектрика (оксидом кремния для МОП-транзисторов). Подачей управляющего напряжения на затвор транзистора за счет создаваемого электрического поля в структуре транзистора осуществляется управление значением тока стока. Четвертый электрод МОП-транзисторов— подложка в большинстве схем соединяется с истоком.

На рис. 8, . б представлена статическая характеристика МОП-транзистора со встроенным проводящим каналом п-типа.

Рис. 8 - Статические характеристики МОП-транзистора с каналом n-типа: а -условное обозначение транзистора; б - входная характеристика; в - выходные характеристики.

Из рис. 8, в видно, что выходные характеристики МОП-транзистора подобны выходным характеристикам пентода. Без подачи напряжений на электроды сопротивление сток — исток велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении. При подаче на затвор напряжения Ug,s через проводящий слой будет протекать ток, если приложить также напряжение между стоком и истоком. Увеличение последнего приводит к перекрытию проводящего канала у стока и к насыщению его тока. Дальнейшее увеличение напряжения Ud,s практически не влияет на значение выходного тока 1с.

Полевой транзистор с проводящим каналом р-типа управляется подачей отрицательных напряжений на затвор и сток относительно истока.

Особенностью МОП-транзисторов является не только высокое входное сопротивление (что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления), но и высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов лежит в диапазоне единиц наносекунд. Такая скорость переключения обусловлена тем, что в них практически ис­ключены токи накопленных зарядов неосновных носителей. Кроме того, по сравнению с биполярными транзисторами силовые МОП-транзисторы имеют лучшие выходные характеристики для обеспечения параллельной работы. В то же время следует отметить большое значение входной емкости и повышенное сопротивленце в проводящем состоянии МОП-транзистора.

Повышение коммутируемой мощности силовых МОП-транзисторов потребовало значительных усилий многих разработчиков по исследованию Из рис. 8, в видно, что выходные характеристики МОП-транзистора подобны выходным характеристикам пентода. Без подачи напряжений на электроды сопротивление сток — исток велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении. При подаче на затвор напряжения Ug,s через проводящий слой будет протекать ток, если приложить также напряжение между стоком и истоком. Увеличение последнего приводит к перекрытию проводящего канала у стока и к насыщению его тока. Дальнейшее увеличение напряжения Ud,s практически не влияет на значение выходного тока 1с.

Полевой транзистор с проводящим каналом р-типа управляется подачей отрицательных напряжений на затвор и сток относительно истока.

Особенностью МОП-транзисторов является не только высокое входное сопротивление (что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления), но и высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов лежит в диапазоне единиц наносекунд. Такая скорость переключения обусловлена тем, что в них практически ис­ключены токи накопленных зарядов неосновных носителей. Кроме того, по сравнению с биполярными транзисторами силовые МОП-транзисторы имеют лучшие выходные характеристики для обеспечения параллельной работы. В то же время следует отметить большое значение входной емкости и повышенное сопротивленце в проводящем состоянии МОП-транзистора.

Повышение коммутируемой мощности силовых МОП-транзисторов потребовало значительных усилий многих разработчиков по исследованию различных структур МОП-транзисторов и совершенствованию технологии их производства. В настоящее время благодаря развитию высокоточной технологии полупроводников допустимые значения напряжений и токов силовых МОП-транзисторов существенно возросли. Наиболее типичными являются приборы с коммутируемым током в десятки ампер и напряжением до 500 В. При этом сопротивление во включенном состоянии находится в диапазоне 0,2—0,5 Ом. Отдельные зарубежные фирмы сообщают о разработках на значительные теки и повышенные напряжения МОП-тран­зисторов с малым сопротивлением во включенном состоянии. Так, например, сообщается о разработке приборов на токи до 200 А при сопротивлении 0,024 Ом.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Достоинства и недостатки силовых биполярных транзисторов и МОП-транзисторов обусловили поиск решений в области создания новых силовых транзисторов. Работы в этом направлении, начавшиеся на основе гибридной технологии, в целях объединения двух приборов в одном кристалле в дискретном виде не принесли значительных успехов. Поэтому были начаты исследования по обеспечению стандартных функций этих приборов в одном кристалле. В результате был создан новый прибор — биполярный транзистор с изолированным затвором - InsulatedGateBipolarTransistor (IGBT) (биполярный транзистор с изолированным затвором). Этот новый тип транзистора сочетает высокое входное сопротивление МОП-транзисторов с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии биполярных транзисторов. Структура этого транзистора аналогична структуре силового МОП-транзистора за исключением того, что имеет, дополнительный слой со стороны стока с соответствующим типом проводимости. Первые образцы этих приборов имели относительно низкое быстродействие. Однако использование специальных технологических операций по управлению временем жизни неосновных носителей позволило уменьшать время переключения до десятых долей микросекунды. В результате были созданы промышленные образцы транзисторов на напряжение до 800 В и токи до 50 А, способные эффективно работать на повышенных частотах. При этом новые приборы обладают такими положительными качествами, как малая мощность сигнала управления, способность выдерживать высокие обратные напряжения и хорошие температурные характеристики.

Интенсивное освоение промышленностью этих приборов и тенденция улучшения технических характеристик позволяют прогнозировать их лидирующее положение в области силовых транзисторов.

Тиристоры,

Силовыми полупроводниковыми приборами, отличающимися высокими значениями коэффициентов усиления по току управления (более 1000), а также большими значениями рабочих токов и напряжений, являются тиристоры. Наиболее распространенным полупроводниковым прибором в силовой электронике в настоящее время является тиристор. Это по существу ключевой полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью и неполной управляемостью, включающийся по сигналу управления, а выключающийся при спадании прямого тока до нуля.

Основой тиристора является полупроводниковая структура, в которой чередуются слои ср-ип-типами проводимости (рис. 9). Прибор имеет три вывода, соответствующих аноду А, катоду С и управляющему электроду G.

Рис. 9 - Структура и внешние цепи тиристора.

Если к аноду прибора приложено отрицательное напряжение относительно катода, то переходы I и III будут смещены в обратном направлении (закрыты), а переход II —в прямом (открыт). В результате тиристор оказывается в закрытом состоянии, которое не может быть изменено подачей положительного напряжения на управляющий электрод (относительно катода), т. е. воздействием на цепь управления.

Если к аноду тиристора подключить плюс источника постоянного напряжения, а к катоду минус, то переходы I и III оказываются смещенными в прямом направлении, а переход II —в обратном (закрыт). При отсутствии управляющего импульса (т. е. напряжения на управляющем электроде) тиристор остается в закрытом состоянии, а напряжение источника приложено к переходу П. Для того чтобы тиристор перешел в проводящее состояние, необходимо обеспечить протекание через управляющий электрод определенного тока iG. Так как к аноду тиристора приложено прямое напряжение относительно катода, ток iG переведет тиристор в проводящее состояние.

Перевод тиристора в проводящее состояние может быть также осуществлен облучением его полупроводниковой структуры световым потоком. На использовании этого эффекта разработаны тиристоры, управляемые светом,— фототиристоры. В основе принципа действия фототиристора лежит явление генерации носителей заряда в полупроводнике, точнее, в р-n переходе II (рис. 9), находящемся под воздействием светового потока. Для управления фототиристором в его корпусе предусмотрено окно для пропускания светового потока. Сущест­венным преимуществом фототиристоров перед тиристорами, управляемыми

электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовыми приборами и системой их управления.

Тиристор с четырехслойной р-п-р-п структурой, как и диод, обладает односторонней проводимостью. Для электрических цепей переменного тока разработан специальный прибор — симметричный тиристор (симистор), который может быть в проводящем состоянии в обоих направлениях (т. е. независимо от полярности приложенного к нему напряжения). Управление симистором производится так же, как и тиристором. Симметричный тиристор в отличие от тиристора имеет пять чередующихся слоев с проводимостями р- и п-типа.

Для перевода тиристора (или симистора) в закрытое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него прямого тока до нуля. При этом начинается процесс рассасывания накопленных в полупроводниковой структуре зарядов (дырок и электронов). В течение времени удаления этих накопленных зарядов через тиристор протекает обратный ток, который после удаления зарядов падает практически до нуля, и обратное напряжение на тиристоре возрастает до значения, определяемого напряжением подключенного к нему источника. Однако для того чтобы тиристор мог снова выдерживать без включения прямое напряжение, необходимо некоторое время. Это время выключения тиристора, в течение которого происходит восстановление его запирающей способности, обусловлено процессом рекомбинации носителей в области среднего перехо­да, который мало зависит от внешнего напряжения.

Вольт-амперные характеристики тиристора при различных токах управления приведены на рис. 10, д. При обратном напряжении эта характеристика у тиристора такая же, как и у диода (у некоторых типов тиристоров обратная ветвь соответствует характеристике лавинного диода).

Ветви характеристики, соответствующие области прямого напряжения, зависят от тока управления и при достаточном его значении практически совпадают с аналогичной ветвью вольт-амперной характеристики диода. При отсутствии управляющего тока тиристор будет находиться в закрытом со­стоянии до тех пор, пока прямое напряжение не превысит определенного для данного типа тиристора значения, после чего он перейдет в проводящее состояние.

Рис. 10 - Вольт-амперные характеристики тиристоров.

Включение тиристора прямым напряжением обычно соответствует аварийным режимам.

Поскольку включение тиристора зависит от управляющего тока, то в информационных материалах обычно приводят также диаграмму вольт-амперных характеристик управляющего электрода (входных) iB=f(uG) (рис. 10, б). На ней приводятся предельные характеристики (кривые 1 и 2). Кривая 1 соответствует прибору с максимальным входным сопротивлением при минимально допустимой температуре, а кривая 2 — прибору с минимальным входным сопротивлением при максимально допустимой температуре. Сверху и справа диаграмма ограничивается прямыми, соответствующими предельно допустимым значениям тока управления Ютах и напряжения на управляющем электроде UGmax (в зависимости от температуры). Внизу диаграммы также указывают область (на рис. 10,6 эта область заштрихована), которая ограничена минимальными значениями тока и напряжения, необходимыми для включения любого тиристора данного типа. Кроме того, на диаграмме обычно приводятся кривые допустимой мощности на управ­ляющем электроде для различных значений длительности управляющих импульсов (например, кривые 3 и 3').

. Большинство типов тиристоров включаются токами со значениями несколько сотен миллиампер при напряжении на управляющем электроде, не превышающем 10 В. Длительность управляющего импульса должна быть больше нескольких десятков микросекунд (в зависимости от типа тиристора). Для четкого и быстрого включения тиристора управляющие импульсы должны иметь крутой фронт (около 1 мкс).

Некоторые параметры, которыми характеризуются тиристоры, аналогичны параметрам, указанным выше для диодов. Кроме того, в технических условиях, помимо параметров цепи управления, обычно указываются:

1. Время включения tgt, тиристора. Это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодного напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку.

2. Время выключения tq тиристора (называемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время от момента, когда прямой ток становится равным нулю, до момента, когда прибор снова * будет способен выдерживать (не открываясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания.

3. Критическая скорость нарастания прямого напряжения (duD/dt)crit. Это максимально допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении допустимого значения (duD/dt)crit происходит самопроизвольное включение тиристора. 4. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (dit/dt)crit. Это наибольшее значение скорости нарастания тока в открытом состоянии, которую тиристор может выдержать без повреждения.

5. Ток в закрытом состоянии тиристора ID. Это анодный ток тиристора в закрытом состоянии.

6. Ток в открытом состоянии тиристора Ш. Это наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Ток Ш необходимо учитывать при расчете минимальных нагрузок тиристорных преобразователей. Обычно для мощных тиристоров этот ток равен нескольким сотням миллиампер и зависит от температуры.

Согласно обозначении тиристора должны содержаться следующие элементы:

буква Т, обозначающая тиристор, и буква, обозначающая вид тиристора (Б — быстродействующий, С —симметричный, Ч — быстровыключающийся и др.);

три цифры, характеризующие типоразмерный ряд и другие конструктивные данные;

число, указывающее средний ток в амперах;

класс по напряжению и номера групп по критической скорости нарастания напряжения, временам включения и выключения и др.

Например, тиристор быстродействующий типа ТБ-133 на ток 250 А, восьмого класса, с критической скоростью нарастания напряжения по группе 5 и временам выключения по группе 2 обозначается: ТБ-133-250-8-52.

Современные наиболее мощные тиристоры имеют предельный ток 3000—4000 А и напряжение до 6000, В. При этом критическая скорость нарастания напряжения достигает 1000 В/мкс, а тока (1000—1500) А/мкс. Время выключения наиболее быстродействующих мощных тиристоров не превышает нескольких единиц, микросекунд.

В схемах многих типов преобразователей к тиристорам подключаются встречно-параллельные диоды, шунтирующие тиристор при появлении на нем обратного напряжения. В таких случаях обратное напряжение на тиристоре становится малым и не превышает значений прямого падения напряжения на диодах (как правило, долей вольта). Это обусловило разработку других типов тиристоров — асимметричных (AT) и тиристоров с обратной проводимостью (ТОП). В отечественных стандартах они определяются как тиристоры, проводящие .в обратном направлении и обозначаются ТП. Для тиристоров, проводящих в обратном направлении и допускающих работу в обратном направлении в качестве диода, введено обозначение ТД (тиристодиод).

Асимметричные тиристоры получаются введением в структуру тиристора дополнительного слоя с проводимостью n-типа. В результате значение обратного напряжения, выдерживаемого тиристором без, его включения, значительно снижается (до нескольких десятков вольт). Однако при этом существенно (в 2—3 раза) уменьшается время выключения тиристора. Такими же свойствами обладает и тиристор с обратной проводимостью, имеющий подобно AT пятислойную структуру и дополнительное диодное кольцо. Быстродействие тиристоров AT и ТОП позволяет использовать их в схемах с повышенными частотами. Рациональная область использования AT и ТОП — преобразователи средней мощности.

Запираемые тиристоры (ЗТ). Тиристор имеет принципиальный недостаток — неполную управляемость. Для его выключения необходимо обеспечить спад прямого тока до нуля, что достигается во многих схемах электронных устройств введением дополнительных узлов принудительной (искусственной) коммутации. Последние выполняются на основе энергонакопительных устройств (обычно конденсаторов), подключение которых в соответствующей полярности к проводящему тиристору создает условия для спадания до нуля прямого тока тиристора. Эти дополнительные коммутирующие узлы утяжеляют тиристорное устройство и значительно ухудшают его технико-экономические характеристики. Поэтому параллельно с разработкой тиристоров проводились исследования возможности их выключения по управляющему электроду путем подачи на него отрицательного управляющего импульса. Однако положительные результаты этих исследований долгое время ограничивались созданием относительно небольших по значениям тока (до нескольких десятков ампер) ЗТ, что ограничивало их конкурентоспособность по напряжению к силовым тран­зисторам. В то же время развитие схемотехники преобразовательных устройств постоянно повышало актуальность решения этой проблемы. В результате интенсификации работ в этом направлении, а также благодаря достижениям в области технологии силовых полупроводниковых приборов за последние десять лет были созданы и постоянно совершенствуются мощные ЗТ.

Высокие технические характеристики ЗТ достигаются главным образом за счет изменения структуры ЗТ но сравнению со структурой тиристоров. В частности, в структурах ЗТ обеспечивается высокая проводимость зоны управляющего элемента, что позволяет более интенсивно блокировать протекание прямого тока при подаче на управляющий электрод отрицательного относительно катода импульса. Важную роль в решении этой задачи сыграло совершенствование технологии полупроводниковых приборов, которое позволило обеспечить однородность электрических свойств отдельных слоев структуры и возможность управления временем жизни носителей в процессе изготовления прибора.

Рис. 11 - Типовая схема включения запираемого тиристора.

Для включения и выключения ЗТ обычно используются два отдельных источника напряжения (рис. 11). При выключении ЗТ следует стремиться обеспечить оптимальную (по времени выключения и коммутационным потерям мощности) скорость нарастания тока управления. Это может быть достигнуто введением соответствующего значения индуктивности в цепь управления по выключению. Схема управления ЗТ должна обеспечивать: мощные" импульсы токов включения и выключения, длительный ток управления при малых нагрузках тиристора, длительное отрицательное запирающее напряжение для надежного выключения тиристора. Коэффициент запирания (отношение выключаемого анодного тока к запи­рающему току управления) обычно не превышает 5, Следует отметить, что ЗТ более критичны к скорости нарастания прямого напряжения, чем тиристоры, и поэтому рекомендуется, как правило, шунтировать ЗТ цепью, состоящей из конденсатора С, резистора R и диода VD, а для ограничения значения анодного тока при включении последовательно с ЗТ включить насыщающийся дроссель L (рис. 11). Параметры коммутируемых токов и напряжений современными ЗТ приближаются к аналогичным параметрам тиристоров. Так, например, лучшие образцы ЗТ, разработанные в 1986 г. фирмами Японии, рассчитаны на напряжение до 4500 В и ток до 2500 А.

Заключение.

В данном реферате рассмотрена аппаратная классификация преобразователей электрической энергии, рассмотрена их конструкция, достоинства и недостатки.

В настоящее время в силовой электронике наиболее распространенными и перспективными являются полупроводниковые преобразователи (имеют малый вес и малые габариты, достаточно высокий КПД, большой срок службы), но они как и другие преобразователи имеют недостатки, и не могут использоваться во всех сферах где необходимо их применение (объясняется свойствами самих полупроводниковых материалов, например имеет большое влияние температура, радиоактивное излучение на их работу), поэтому остальные классы преобразователей, например электромашинные преобразователи, также используются, но менее широко.