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.

2. ТИРИСТОРЫ

Переводить динистор в открытое состояние повышением прямого напряжения неудобно, а иногда и недопустимо. От этого недостатка свободны тиристоры. Они имеют третий вывод (в дальнейшем – управляющий электрод), подключенный к одной из баз. За счет тока базы (в дальнейшем – тока управления) соответствующий коэффициент передачи тока эмиттера α₁ или α₃ увеличивается, и происходит включение тиристора при меньшем напряжении U_а.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным

управлением (рис.20.2, а и 20.2, б). ВАХ тиристора (рис. 20.2, в) представляет семейство кривых, снятых при различном токе управления.

Запишем баланс токов тиристора с учетом того, что через переход П₃

проходит сумма токов основного и управляющего (рис. 20.2 а):

(20.4)

Решая (20.4) относительно I_э,получим

(20.5)

Из (20.5) очевидно, что ток эмиттера зависит от значений α₁ и α₃ и от управляющего тока I_у. Для закрытого состояния α₁ + α₃ < 1. Условие переключения тиристора в открытое состояние можно получить дифференцированием (20.5) по напряжению. После преобразований получим

(20.6)

С ростом тока I_у увеличивается α₃. Поэтому переключение тиристора происходит при меньшем значении U_а, а ВАХ располагаются внутри предшествующих, вплоть до полного исчезновения участка с отрицательным сопротивлением.

Схема включения тиристора и график нарастания его тока приведены на рис. 20.3. Весь процесс включения разделяют на три характерных интервала: интервал задержки t_з, интервал нарастания t_н и интервал установления t_уст.

Интервал задержки расположен от момента подачи управляющего импульса до момента увеличения тока тиристора до значения 0,1·I_уст. При достаточно большом токе управления время задержки достигает долей микросекунды. На интервале нарастания ток тиристора изменяется от 0,1·I_уст до 0,9·I_уст. В сумме интервалы задержки и нарастания могут составлять несколько микросекунд. По окончании интервала нарастания тиристор практически включен, однако его ток продолжает увеличиваться до I_уст

еще некоторое время. Это время составляет интервал установления и может иметь значение 10÷500 мкс.

График изменения падения напряжения на тиристоре при его включении аналогичен графику тока, но имеет противоположные знаки приращений. Мгновенная мощность потерь, возникающих при включении тиристора, определяется известным выражением:

.

Для уменьшения мощности потерь стремятся снижать скорость нарастания анодного тока. Этого можно достигнуть, включив последовательно с тиристором индуктивность.

После включения тиристора УЭ теряет управляющие свойства. Поэтому способы выключения тиристора такие же, как и для динистора.

Основные параметры тиристоров аналогичны параметрам динисторов, но их перечень расширяется за счет параметров цепи управления. К ним относятся

– допустимый ток управления I_{у доп};

– допустимое управляющее напряжение отпирания U_{у доп};

– допустимое сопротивление цепи управления R_{у доп};

– допустимая скорость нарастания тока тиристора.

3. СИМИСТОРЫ

Симистор – это симметричный тиристор. Структура симистора содержит пять слоев полупроводников с чередующимся типом проводимости (рис. 20.4, а). На рис. 20.4, б приведено условное обозначение симистора, а на рис. 20.4, в его ВАХ.

Как следует из ВАХ, симистор включается в любом направлении при подаче на УЭ положительного импульса управления. Это позволяет применять симисторы для управления в цепях переменного тока. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные параметры симистора аналогичны параметрам тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно включенными тиристорами с общим электродом управления.

4. СТАТИЧЕСКИЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ТРАНЗИСТОР

Статический индукционный транзистор (СИТ) представляет собой полевой транзистор с управляемым p – n переходом, который может работать как при обратном смещении затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора).

В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток – исток находится в проводящем состоянии. В закрытое состояние цепь переводится отрицательным напряжением U_зи. Достоинством СИТ является малое сопротивление проводящего канала сток – исток при прямом смещении. Для снижения потерь на сопротивлении R_зи транзистор вводят в режим насыщения. Этот прием приводит к накоплению избыточного заряда неосновных носителей. На этапе выключения возникает задержка (от 20 нс до 50 мкс), обусловленная рассасыванием избыточного заряда.

Разновидностью СИТ являются биполярные СИТ (БСИТ). Технологическими приемами напряжение отсечки БСИТ сведено к нулю. Благодаря этому транзисторы закрыты при отсутствии управляющего сигнала, а потери на R_зи существенно уменьшаются.

Схемное изображение и условное обозначение СИТ и БСИТ такие же, как и у полевых транзисторов с управляющим p – n переходом. Отличают их по номеру разработки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

20.1. Приведите условное схемное обозначение динистора, воспроизведите его структуру.

20.2. Изобразите ВАХ динистора. Почему отпирание динистора возможно только при U_а = U_вкл и протекает лавинообразно?

20.3. Почему включение динистора без ограничительного сопротивления считается опасным и недопустимым?

20.4. Как можно выключить динистор?

20.5. Приведите условное схемное обозначение тиристора. Чем и почему оно отличается от обозначения динистора?

20.6. Какую роль в работе тиристора играет зависимость коэффициента передачи α₃ от тока I_у?

20.7. Отличаются ли процессы включения тиристора и динистора? Если отличаются, то чем?

29.8. Приведите график включения тиристора и проведите его анализ.

20.9. Как можно уменьшить мощность потерь, возникающую при включении тиристора?

20.10. Можно ли выключить тиристор уменьшением величины управляющего тока I_у?

20.11. Приведите условное схемное обозначение симистора. В чем состоит отличие и единство структур тиристора и симистора?

20.12. Чем отличаются биполярные статические индукционные транзисторы от СИТ?