Основные типы силовых диодов

По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся диоды и диоды Шоттки.

Диоды общего назначения. Эта группа диодов отличается высо­кими значениями обратного напряжения (от 50 В до 5 кВ) и прямого тока (от 10 А до 5 кА). Массивная полупроводниковая структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления диодов обычно находится в диапазоне 25-100 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой выше 1 кГц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы составляет 2,5-3 В.

Силовые диоды выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили два вида исполнения: штыревой и табле­точный (рис. 6.5 а, б).

Рис. 6.5. Конструкция корпусов диодов:

а – штыревая; б – таблеточная

Быстровосстанавливающиеся диоды. При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время обратного восстановления. В частности, приме­няется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается уменьшить время обратного восстановления до 3-5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Допустимые значения тока составляют от 10 А до 1 кА, обратного напряжения - от 50 В до 3 кВ. У наиболее быстродействующих диодов время обратного восстановления составляет 0,1-0,5 мкс. Такие диоды используются в импульсных и высокочастотных цепях с час­тотами 10 кГц и выше. Конструкции диодов этой группы подобны конструкциям диодов общего назначения.

Диоды Шоттки.Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника исполь­зуется обедненный слой кремния n-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника – положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей – электронов. От­сутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения примерно 0,3 В. Значения обратных токов в этих диодах на 2-3 порядка выше, чем в диодах с p-n-переходом. Предельное обратное на­пряжений обычно не более 100 В. Они используют­ся в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.

Силовые транзисторы

Основные классы силовых транзисторов

Транзистором называют полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов и способный работать как в усилитель­ных, так и в ключевых режимах. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых клю­чей. В зависимости от сигнала управления транзистор может нахо­диться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении и не выдерживают обратного напряжения.

По принципу действия разли­чают следующие основные классы силовых транзисторов:

- биполярные транзисторы;

- полевые транзисторы, среди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (MOSFET - metal oxide semiconductor field effect transistor);

- полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или транзисторы со ста­тической индукцией (СИТ) (SIT - static induction transistor);

- биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) (IGBT - insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводниковых материалов с различным типом про­водимости. В зависимости от порядка чередования слоёв структуры различают транзисторы р-п-р- и n-p-n-типов. Среди силовых транзисторов широкое распространение получили транзисторы п-р-п-типа (рис. 6.6., a).

Средний слой структуры называется базой (В), внешний слой, инжек­тирующий (внедряющий) носители – эмиттером (Е), собирающий носители – коллектором (С). Каждый из слоев – база, эмиттер и коллектор – имеет вывод для соединения с элементами электрической схемы и внешними цепями.

MOSFET-транзисторы.Принцип действия МОП – транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля.

Из структуры транзистора имеются следующие выводы: затвор (G), исток (S), сток (D), а также вывод от подложки (B), соединяемой обычно с истоком (рис. 6.6., b).

Принципиальным отличием МОП – транзисторов от биполярных транзисторов является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП – транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП – транзисторов существенно зависят от напряжения. При токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В при частоте коммутации до 100 кГц.

SIT-транзисторы. Это разновидность полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (рис. 6.6., c). Рабочая частота SIT-транзисторов обычно не превышает 100 кГц при напряжении коммутируемых цепей до 1200 В и токах до 200 – 400 А.

IGBT-транзисторы. Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (рис. 6.6., d).

IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.

Рис. 6.6. Условно-графические обозначения транзисторов:

a) – биполярный транзистор п-р-п-типа;

b) – MOSFET-транзистор с каналом п-типа;

c) – SIT-транзистор с управляющим p-n-переходом;

d) – IGBT-транзистор.

Коммутируемые напряжения силовых IGBT – транзисторов, так же как и биполярных, не более 1200 В, а предельные значения токов достигают нескольких сот ампер при частоте 20 кГц.

Приведённые выше характеристики обуславливают области применения различных типов силовых транзисторов в современных силовых электронных устройствах. Традиционно применялись биполярные транзисторы, основной недостаток которых заключается в потреблении значительного тока базы, что требовало мощного оконечного каскада управления и приводило к снижению КПД устройства в целом.

Затем были разработаны полевые транзисторы, более быстродействующие и потребляющие небольшие мощности из системы управления. Основным недостатком МОП – транзисторов являются большие потери мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ.

В последнее время лидирующее положение в области применения занимают IGBT – транзисторы, сочетающие в себе достоинства биполярных и полевых транзисторов. Предельная мощность SIT – транзисторов сравнительно невелика, поэтому широкого применения в силовой электронике они не нашли.