ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.05.2024
Просмотров: 68
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2 пробивается, и тиристор 2 переходит из состояния высокого импеданса в состояние низкого импеданса (рис. 1.4 г).
Типовой симистор имеет три электрода: МТ1, МТ2 и управляющий электрод G (рис. 1.5). Симистор является устройством, способным проводить ток в двух направлениях.
Рисунок 1.5 – Симистор и его ВАХ
Симистор эквивалентен двум тиристорам, соединенным навстречу друг другу, которые имеют общий управляющий электрод (рис 1.5 б).
Когда потенциал электрода МТ2 выше, чем МТ1, тиристор 1 находится в прямом включении и может быть переведен в проводящее состояние воздействием на управляющий электрод (рис. 1.5 в). Когда потенциал электрода МТ1 выше, чем МТ2, тиристор 2 смещен в прямом направлении и может быть переведен в проводящее состояние воздействием на управляющий электрод. Таким образом, симистор способен проводить ток в обоих направлениях. Для включения тиристора требуется воздействие положительного управляющего тока по отношению к катоду. Напротив, симистор может быть переведен в проводящее состояние как положительным управляющим током, так и отрицательным.
В целом применение тиристоров можно разделить на 4 группы:
Полупроводниковый двухэлектродный прибор с односторонней электрической проводимостью называется диодом. Вывод из р-области называют анодом, а из области — катодом (рис. 2.1, а). Если к диоду подключить внешний источник напряжения отрицательным выводом к аноду, а положительным к катоду (напряжение такой полярности относительно р-n-перехода называют обратным и обозначают uR), то значение напряжения потенциального барьера φ в ОПЗ возрастет (рис. 2.1, б). Состояние термодинамического равновесия носителей заряда полупроводника нарушается и в диоде протекает небольшой обратный ток iR,обусловленный неосновными носителями заряда. Этот ток слабо зависит от обратного напряжения uRи при его увеличении приближается к постоянному значению iR= I0, соответствующему тепловому току. Увеличение обратного напряжения вызывает резкое увеличение электрической проводимости диода, называемое пробоем.
Рисунок 2.1 - Подключение диода к внешней цепи
а — условное обозначение диода; б — подключение к источнику напряжения обратной полярности; в — подключение к источнику напряжения прямой полярности
Функционально диод является электронным ключом с односторонней проводимостью. Диод находится в проводящем состоянии (замкнутый ключ), если он подключен к источнику прямого напряжения. Ток диода iFопределяется параметрами внешних цепей, и напряжение на его выводах мало. Если диод подключен к источнику обратного напряжения, то он находится в непроводящем состоянии (разомкнутый ключ) и его ток имеет небольшое значение. Напряжение на выводах диода определяется параметрами внешних цепей. В идеализированном виде диод можно рассматривать как ключ, который может находиться в двух состояниях: включенном, когда в нем протекает прямой ток iF , и выключенном, когда он блокирует напряжение uRи не проводит ток. Реальная статическая ВАХ диода при подключении к источнику прямого напряжения может быть представлена экспонентой, а при подключении к источнику обратного напряжения — участком с постепенно возрастающим обратным током
iRдо значения I0 постоянного тока вплоть до наступления пробоя при увеличении обратного напряжения до предельного значения UBR(рис. 2.2).
Рисунок 2.2 - Статические ВАХ диода
По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся и диоды Шоттки.
Имеют допустимые значения обратного напряжения до 10 кВ и прямого тока до 8 кА. Массивная структура диодов ухудшаетих быстродействие. Поэтому время обратного восстановления диодов находится
в диапазоне 25— 100 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой выше 1 кГц. Как правило, они применяются в промышленных сетях частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы достигает 2,5—3 В для приборов, рассчитанных на большие обратные напряжения.
При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время их обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3—5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Напряжение может быть повышено при сохранении быстродействия за счет использования структуры диода с промежуточным слоем из кремния. Этот слой называется i-слоем, а структура диода с таким слоем обозначается p-i-n. Диоды с такой структурой имеют также меньшее падение напряжения в проводящем состоянии по сравнению с диодами р-п.
Допустимые значения тока составляют 1 к А, обратного напряжения — до 3 кВ. Быстровосстанавливающиеся диоды напряжением до 1 000 В и током 150 А имеют время обратного восстановления 0,1—0,5 мкс. Такие диоды используются в импульсных и высокочастотных цепях (свыше 10 кГц).
Быстровосстанавливающиеся диоды эффективно используются в комплекте с транзисторами и запираемыми тиристорами в качестве встречновключенных, а также в ЦФТП этих приборов.
Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремни n-типа. При этом в области перехода со стороны металла накапливается отрицательный заряд, а со стороны полупроводника — положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей заряда — электронов. Диоды Шоттки, таким образом, являются униполярными приборами с одним типом основных носителей заряда. Незначительное число неосновных носителей заряда существенно уменьшает инерционность диодов. Время восстановления составляет 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 р-л-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений ограничивается напряжением 100 В. Диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения. Диоды Шоттки выполняются в керамических или пластмассовых корпусах с металлическим теплоотводящим основанием.
Транзистор — это полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов и работающий как в усилительных, так и в ключевых режимах. В силовых электронных устройствах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от значения сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (выключенном) или в открытом (включенном) состояниях. В закрытом состоянии транзистор выдерживает прямое напряжение, определяемое напряжением внешних цепей, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый напряжением внешних цепей, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не проводят ток в обратном направлении, и большинство из них не выдерживают обратного напряжения.
По принципу действия различают следующие основные виды силовых транзисторов:
Cтруктура транзисторов состоит из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом электропроводимости. В зависимости от порядка чередования слоев полупроводника различают транзисторы типов р-п-р и п-р-п (рис. 3.1). Наиболее распространены силовые транзисторы типа п-р-п.
Рисунок 3.1 - Структуры биполярных транзисторов
Средний слой структуры транзистора называется базой (В), внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители заряда, — эмиттером (Е), собирающий носители заряда — коллектором (С). Каждый слой имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения. Биполярные транзисторы на ток 50 А и более рассчитаны на напряжение менее 1 000 В и частоту коммутации до 10 кГц.
Принцип действия транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика используются оксиды, например диоксид кремния SiO
2.
Различают МОП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Эти типы транзисторов имеют следующие выводы: сток (D), исток (S), затвор (G), и вывод от подложки (В), соединяемой с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала различают транзисторы с n- и p -типами каналов. На рис. 3.2 изображены структуры и символы МОП-транзисторов с каналами n-типа.
Рисунок 3.2 - Структуры и символы МОП-транзисторов с проводящим каналом n-типа
а — с индуцированным каналом; б — со встроенным каналом
Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением (электростатическим полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП-транзисторах обусловлены одним типом носителей заряда, что повышает их быстродействие, поэтому МОП- транзисторы называются униполярными транзисторами.
Полевые транзисторы выполняются с коротким вертикальным каналом, отделенным от управляющей цепи р-я-переходом (рис. 3.3). При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала СИТ минимально и он находится в открытом состоянии. При подаче на затвор положительного относительно истока потенциала толщина канала уменьшается и его сопротивление увеличивается, что позволяет управлять током в цепи сток — исток. В транзисторе со статической индукцией р-я-переход смещен в обратном направлении и управление электрическим полем позволяет изменять значение заряда барьерной емкости этого перехода при незначительном потреблении мощности.
Рисунок 3.3 – Структура и символ СИТ
При небольшом расстоянии от истока до затвора можно уменьшить сопротивление и ≪паразитные≫ емкости между выводами транзистора. Структура СИТ обладает высоким быстродействием и значением коммутируемого тока при многоканальном исполнении. Рабочая частота СИТ обычно ограничивается 100 кГц при напряжениях коммутируемой цепи до 1 200 В. Коммутируемые токи достигают нескольких сотен ампер. В силовой электронике СИТ не нашли широкого применения.
Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию МОПБТ. Выполненный в одном кристалле, он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.
1.4 Симистор
Типовой симистор имеет три электрода: МТ1, МТ2 и управляющий электрод G (рис. 1.5). Симистор является устройством, способным проводить ток в двух направлениях.
Рисунок 1.5 – Симистор и его ВАХ
Симистор эквивалентен двум тиристорам, соединенным навстречу друг другу, которые имеют общий управляющий электрод (рис 1.5 б).
Когда потенциал электрода МТ2 выше, чем МТ1, тиристор 1 находится в прямом включении и может быть переведен в проводящее состояние воздействием на управляющий электрод (рис. 1.5 в). Когда потенциал электрода МТ1 выше, чем МТ2, тиристор 2 смещен в прямом направлении и может быть переведен в проводящее состояние воздействием на управляющий электрод. Таким образом, симистор способен проводить ток в обоих направлениях. Для включения тиристора требуется воздействие положительного управляющего тока по отношению к катоду. Напротив, симистор может быть переведен в проводящее состояние как положительным управляющим током, так и отрицательным.
1.5 Применение тиристоров
В целом применение тиристоров можно разделить на 4 группы:
-
силовые ключи – переключатели переменного напряжения. Одним из определяющих моментов, влияющих на востребованность подобных схем, выступает низкая мощность, которая рассеивается тиристором в схемах переключения. В закрытом состоянии мощность практически не рассеивается из-за того, что ток практически равен нулю. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность незначительна благодаря небольшим значениям напряжения; -
пороговые устройства – в них задействовано основное свойство тиристора – открываться (пропускать ток) при достижении напряжением определенного значения. Эта группа схем особенно активно используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах; -
подключение постоянного тока – для прерывания, включения / выключения используются запирающие тиристоры. Правда, при этом схемы требуют определенной доработки – тиристоры в целом плохо работают в цепях с постоянным током. Но высокая надежность, способность работать с большими по значению токами и напряжениями полностью оправдывают некоторые неудобства;-
экспериментальные устройства – в них используется свойство тиристора иметь отрицательное сопротивление, пребывая в переходном режиме.
-
2. Силовые диоды
2.1 Статические характеристики диода
Полупроводниковый двухэлектродный прибор с односторонней электрической проводимостью называется диодом. Вывод из р-области называют анодом, а из области — катодом (рис. 2.1, а). Если к диоду подключить внешний источник напряжения отрицательным выводом к аноду, а положительным к катоду (напряжение такой полярности относительно р-n-перехода называют обратным и обозначают uR), то значение напряжения потенциального барьера φ в ОПЗ возрастет (рис. 2.1, б). Состояние термодинамического равновесия носителей заряда полупроводника нарушается и в диоде протекает небольшой обратный ток iR,обусловленный неосновными носителями заряда. Этот ток слабо зависит от обратного напряжения uRи при его увеличении приближается к постоянному значению iR= I0, соответствующему тепловому току. Увеличение обратного напряжения вызывает резкое увеличение электрической проводимости диода, называемое пробоем.
Рисунок 2.1 - Подключение диода к внешней цепи
а — условное обозначение диода; б — подключение к источнику напряжения обратной полярности; в — подключение к источнику напряжения прямой полярности
Функционально диод является электронным ключом с односторонней проводимостью. Диод находится в проводящем состоянии (замкнутый ключ), если он подключен к источнику прямого напряжения. Ток диода iFопределяется параметрами внешних цепей, и напряжение на его выводах мало. Если диод подключен к источнику обратного напряжения, то он находится в непроводящем состоянии (разомкнутый ключ) и его ток имеет небольшое значение. Напряжение на выводах диода определяется параметрами внешних цепей. В идеализированном виде диод можно рассматривать как ключ, который может находиться в двух состояниях: включенном, когда в нем протекает прямой ток iF , и выключенном, когда он блокирует напряжение uRи не проводит ток. Реальная статическая ВАХ диода при подключении к источнику прямого напряжения может быть представлена экспонентой, а при подключении к источнику обратного напряжения — участком с постепенно возрастающим обратным током
iRдо значения I0 постоянного тока вплоть до наступления пробоя при увеличении обратного напряжения до предельного значения UBR(рис. 2.2).
Рисунок 2.2 - Статические ВАХ диода
2.2 Основные типы силовых диодов
По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся и диоды Шоттки.
2.2.1 Диоды общего назначения
Имеют допустимые значения обратного напряжения до 10 кВ и прямого тока до 8 кА. Массивная структура диодов ухудшаетих быстродействие. Поэтому время обратного восстановления диодов находится
в диапазоне 25— 100 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой выше 1 кГц. Как правило, они применяются в промышленных сетях частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы достигает 2,5—3 В для приборов, рассчитанных на большие обратные напряжения.
2.2.2 Быстровосстанавливающиеся диоды
При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время их обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3—5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Напряжение может быть повышено при сохранении быстродействия за счет использования структуры диода с промежуточным слоем из кремния. Этот слой называется i-слоем, а структура диода с таким слоем обозначается p-i-n. Диоды с такой структурой имеют также меньшее падение напряжения в проводящем состоянии по сравнению с диодами р-п.
Допустимые значения тока составляют 1 к А, обратного напряжения — до 3 кВ. Быстровосстанавливающиеся диоды напряжением до 1 000 В и током 150 А имеют время обратного восстановления 0,1—0,5 мкс. Такие диоды используются в импульсных и высокочастотных цепях (свыше 10 кГц).
Быстровосстанавливающиеся диоды эффективно используются в комплекте с транзисторами и запираемыми тиристорами в качестве встречновключенных, а также в ЦФТП этих приборов.
2.2.3 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 кремни n-типа. При этом в области перехода со стороны металла накапливается отрицательный заряд, а со стороны полупроводника — положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей заряда — электронов. Диоды Шоттки, таким образом, являются униполярными приборами с одним типом основных носителей заряда. Незначительное число неосновных носителей заряда существенно уменьшает инерционность диодов. Время восстановления составляет 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 р-л-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений ограничивается напряжением 100 В. Диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения. Диоды Шоттки выполняются в керамических или пластмассовых корпусах с металлическим теплоотводящим основанием.
3 Силовые транзисторы
3.1 Основные классы силовых транзисторов
Транзистор — это полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов и работающий как в усилительных, так и в ключевых режимах. В силовых электронных устройствах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от значения сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (выключенном) или в открытом (включенном) состояниях. В закрытом состоянии транзистор выдерживает прямое напряжение, определяемое напряжением внешних цепей, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый напряжением внешних цепей, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не проводят ток в обратном направлении, и большинство из них не выдерживают обратного напряжения.
По принципу действия различают следующие основные виды силовых транзисторов:
-
биполярные; -
полевые, среди которых наиболее распространены МОП-транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor); -
полевые с управляющим р-л-переходом, или СИТ-транзисторы со статической индукцией, (SIT — static induction transistor); -
биполярные транзисторы с изолированным затвором МОПБТ (англ. IGBT —insulated gate bipolar transistor).
3.1.1 Биполярные транзисторы
Cтруктура транзисторов состоит из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом электропроводимости. В зависимости от порядка чередования слоев полупроводника различают транзисторы типов р-п-р и п-р-п (рис. 3.1). Наиболее распространены силовые транзисторы типа п-р-п.
Рисунок 3.1 - Структуры биполярных транзисторов
Средний слой структуры транзистора называется базой (В), внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители заряда, — эмиттером (Е), собирающий носители заряда — коллектором (С). Каждый слой имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения. Биполярные транзисторы на ток 50 А и более рассчитаны на напряжение менее 1 000 В и частоту коммутации до 10 кГц.
3.1.2 МОП-транзисторы
Принцип действия транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика используются оксиды, например диоксид кремния SiO
2.
Различают МОП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Эти типы транзисторов имеют следующие выводы: сток (D), исток (S), затвор (G), и вывод от подложки (В), соединяемой с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала различают транзисторы с n- и p -типами каналов. На рис. 3.2 изображены структуры и символы МОП-транзисторов с каналами n-типа.
Рисунок 3.2 - Структуры и символы МОП-транзисторов с проводящим каналом n-типа
а — с индуцированным каналом; б — со встроенным каналом
Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением (электростатическим полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП-транзисторах обусловлены одним типом носителей заряда, что повышает их быстродействие, поэтому МОП- транзисторы называются униполярными транзисторами.
3.1.3 СИТ
Полевые транзисторы выполняются с коротким вертикальным каналом, отделенным от управляющей цепи р-я-переходом (рис. 3.3). При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала СИТ минимально и он находится в открытом состоянии. При подаче на затвор положительного относительно истока потенциала толщина канала уменьшается и его сопротивление увеличивается, что позволяет управлять током в цепи сток — исток. В транзисторе со статической индукцией р-я-переход смещен в обратном направлении и управление электрическим полем позволяет изменять значение заряда барьерной емкости этого перехода при незначительном потреблении мощности.
Рисунок 3.3 – Структура и символ СИТ
При небольшом расстоянии от истока до затвора можно уменьшить сопротивление и ≪паразитные≫ емкости между выводами транзистора. Структура СИТ обладает высоким быстродействием и значением коммутируемого тока при многоканальном исполнении. Рабочая частота СИТ обычно ограничивается 100 кГц при напряжениях коммутируемой цепи до 1 200 В. Коммутируемые токи достигают нескольких сотен ампер. В силовой электронике СИТ не нашли широкого применения.
3.1.4 МОПБТ
Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию МОПБТ. Выполненный в одном кристалле, он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.