Раздел: Документация
0 1 2 3 4 ... 49 вательных устройств и обеспечению их электромагнитнбй совместимости в составе технических систем. Получаемый за счет перехода на повышенные частоты технико-экономический эффект полностью компенсировал затраты на решение этих задач. Поэтому в настоящее время тенденция создания многих типов преобразовательных устройств с промежуточным высокочастотным звеном сохраняется. Следует отметить, что использование полностью управдя-емых быстродействующих полупроводниковых приборов в традиционных схемах существенно расширяет их возможности в обеспечении новых режимов работы и, следовательно, новых функциональных свойств изделий силовой электронной техники. \ ГЛАВА ПЕРВАЯ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 1.1. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Основными элементами силовой электроники являются нелинейные элементы, вольт-амперные характеристики которых приближаются к идеализированной характеристике элемента ключевого или релейного типа, изображенной на рис. 1.1. Элементы с такими характеристиками имеют два явно выраженных состояния: включенное, соответствующее высокой проводимости, и выключенное, соответствующее низкой проводимости. В настоящее время функции ключевых элементов в силовой электронике выполняют полупроводниковые приборы различных типов. Эти приборы представляют собой сочетание полупроводящих слоев с различными типами электронной проводимости. Преимущественно для нужд силовой электроники разработаны силовые полупроводниковые приборы. К ним относятся приборы с максимально допустимым средним или действующим током свыше 10 А или максимально допустимым импульсным током свыше 100 А. Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, степени управляемости, назначению, применении По принципу действия силовые полупроводниковые приборы разделяют на три основных вида: диоды, тиристоры, транзисторы. В свою очередь основные виды полупроводниковых приборов подразделяются на группы, определяемые особенностями конструктивного и технологического исполнения, характером физичес- рж \ ,. Вольт.амперная ких процессов и др. Например, среди характеристика идеально-тиристоров можно выделить запираемые го ключевого элемента
тиристоры, фототиристоры, симметричные и асимметричные тиристоры и др., а среди транзисторов — биполярные, МОП-транзисторы и др. Внутри каждой группы приборы могут классифицироваться по назначению (низкочастотные, высокочастотные, импульсные и- др.). В силовой электронике иногда классификацию производят по степени управляемости прибора, что удобно для выбора рациональных схем на основе того или иного прибора. Под признаком управляемости в таких случаях подразумевают возможность переводить прибор из проводящего состояния в, непроводящее и обратно посредством воздействия на него маломощным управляющим сигналом. По степени управляемости силовые управляемые приборы разделяют на следующие группы: 1)не полностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего импульса переводить только в проводящее состояние, но не наоборот, например широко распространенные тиристоры; 2)полностью управляемые приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего импульса (транзисторы или запираемые тиристоры). Силовые приборы разделяют также внутри отдельных групп по основным параметрам, например по напряжению или току, а также по другим характерным признакам. 1.1.1. СИЛОВЫЕ ДИОДЫ о-\р\"\-о I Принцип действия полупроводникового диода основан на использовании свойств р-п электронно-дырочного перехода, возникающего в полупроводниковой пластине между двумя слоями с различными типами электрической проводимости. На рис. 1.2 изображена вольт-амперная характеристика р-п перехода. В ней можно выделить две ветви: прямую (А) и обратную (Б). Прямая ветвь характеризуется малыми значениями прямого напряжения на р-п переходе, а обратная— малыми значениями тока (называемого обратным), обусловленного неосновными носителями заряда. Однако если обратное напряжение, приложенное к р-п переходу, превысит определенное значение, то возникнет электрический о. , т „пробой р-п перехода, характеризуйте. 1.2. Вольт-амперная харак- „ r 2 ,. i теристика полупроводниковогоющиися резким возрастанием об-диодаратного тока при незначительном  изменении обратного напряжения. 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. 1.2). 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 на 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 по 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. Согласно [1 ], основные сведения о конструктивном исполнении и параметрах диода содержатся в его обозначении. Так, например, в условном обозначении диода Д161 -200- п 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 значениях прямого напряжения является важной для «диодов, . предназначенных для параллельной работы. Для диодов с нормируемым значением времени обратного восстановления (быст-ровосстанавливающихся) 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 [1]. 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. 1.3 представлены схемы: последовательного (рис. 1.3, а) и параллельного (рис. 1.3,6) соединения двух диодов. Там же представлены прямые (рис. 1.3,г) и обратные (рис. 1.3,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 ir распределяется между диодами неравномерно: к диоду vdx прикладывается напряжение url, а к диоду vd2— напряжение ur2 (рис. 1.3, 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 7F1, а через диод vd2 ток if2 (рис. 1.3,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. 1.3. 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-п 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-п диоды и эпи-таксиальные, 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 ХВ; эпитаксиальные 0,8—1,3 В; диффузионные 1,1 —1,6 В. 0 1 2 3 4 ... 49
|
