Принципы построения силовых транзисторных ключей

Силовой транзисторный ключ (СТК), является тем элементом преобразователя, который управляет процессами преобразования энергии. Специфика протекания этих процессов требует более детального рассмотрения принципов работы СТК и его элементной базы для обеспечения надёжности электропривода в целом. Рассмотрим классическую схему одного плеча преобразователя. Заметим, что ШИП содержит два таких плеча. На рисунке 18 представлена схема такого плеча и показаны электромагнитные процессы, протекающие в нем при включении и выключении транзистора. Классическая теория динамических процессов выделяет четыре коммутационных интервала при работе плеча на активно-индуктивную нагрузку, два при включении транзистора и два при выключении. При включении транзистора выделяются этап восстановления

Рисунок 18 – Динамические процессы при переключении силового транзисторного ключа

диода в фазе высокой обратной проводимости (t₁ на рисунке 18) и этап установления стационарного состояния силового высоковольтного транзистора (t₂ на рисунке 18). На первом из отмеченных этапов по цепи «транзистор-диод» протекает значительный ток, который может превысить номинальный в несколько раз. При этом напряжение на транзисторе остается равным напряжению питания. Этот этап является наиболее опасным для транзистора. На втором этапе ток уменьшается до номинального при одновременном уменьшении напряжения на транзисторе. При выключении транзистора выделяются этап рассасывания неосновных носителей заряда в коллекторе силового высоковольтного транзистора (t₃ на рисунке 18) и этап спада тока коллектора силового транзистора и включения диода (t₄ на рисунке 18). На всех отмеченных интервалах коммутации в транзисторе и диоде выделяется значительная мощность.

В настоящее время основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET).

В области коммутируемых токов более 50 А основными приборами силовой электроники являются: силовые модули на базе биполярных транзисторов; силовые модули на базе IGBT.

Самую значительную часть приборов в диапазоне до 50 А составляют полевые транзисторы с изолированным затвором — транзисторы MOSFET.

Эти приборы, обладая малыми статическими и динамическими потерями с минимальными затратами на управление, крайне небольшими временами переключения, что позволило им работать на частотах до 1 МГц, практически полностью вытеснили из низковольтных преобразовательных устройств все остальные типы силовых полупроводниковых приборов.

Силовые биполярные транзисторы в диапазоне до 50 А находят применение в основном в массовом и дешёвом бытовом и промышленном оборудовании.

В областях средних напряжений (500-600 В и выше) наиболее предпочтительными для применения являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistors). Появление этого прибора повлекло за собой столь радикальные изменения в силовой электронике, что можно говорить о второй революции, переживаемой этим научно-техническим направлением.

В настоящее время IGBT обеспечивают коммутацию токов до 1800 А и напряжений до 4,5 кВ. При этом времена переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором лежат в диапазоне 200^100нсек. Появление в последние годы IGBT с напряжением более 1,2 кВ (4,5 кВ) привело к вытеснению запираемых тиристоров (СТО) в устройствах мощностью до 1 МВт и до
3,5 кВ.

Дальнейшее развитие IGBT будет идти по пути:

– повышения диапазона предельных коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5-7 кВ);

– повышения быстродействия;

– повышения стойкости к перегрузкам и аварийным режимам;

– снижения прямого падения напряжения;

– разработки новых структур с плотностями токов, приближающихся к тиристорным;

– развитие «интеллектуальных» IGBT (с встроенными функциями диагностики и защит) и модулей на их основе;

– создание новых высоконадежных корпусов, в том числе прижимной конструкции.

Таким образом, для создания современного, надёжного, высокоэффективного полупроводникового электропривода, имеется несколько типов приборов силовой электроники, каждый из которых занимает свои области наиболее целесообразного применения.

Наиболее перспективными приборами силовой электроники являются MOSFET и IGBT для схем преобразователей мощностью от единиц ватт до единиц мегаватт.