Лекция 4 - Конспекты (1095372), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Однако для силовыхустройств очень перспективен именно карбид кремния (SiC).Пробивная напряжённость электрического поля SiC более чем на порядокпревышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это обстоятельствоприводит к снижению сопротивления диода в открытом состоянии.

Малоеудельное сопротивление материала в открытом состоянии в сочетании свысокой плотностью тока и большой величиной теплопроводности позволяетиспользовать очень маленькие по размерам кристаллы для встраивания всиловые приборы.Большая ширина запрещённой энергетической зоны SiC являетсярезультатом более высокого, по сравнению с Si и GaAs, барьера Шоттки. Врезультате очень малая величина тока утечки при повышенной температурекристалла (менее 70 мкА при 200°С) снижает термоэлектронную эмиссию запределами барьера.

Высокая теплопроводность SiC уменьшает тепловоесопротивление кристалла по сравнению с Si диодами почти в два раза.Электрические параметры SiC диодов стабильны и слабо зависят оттемпературы, что способствует высокой надёжности изделий. SiC устойчив кжёсткой радиации, поэтому её воздействие не приводит к деградации свойствкристалла.

Высокая рабочая температура кристалла (более 600°С) позволяетсоздавать высоконадёжные приборы для жёстких условий эксплуатации испециальных применений.Силовые диоды из SiC только выходят на рынок, но могут статьдоминирующими для высокочастотных (и высокотемпературных) применений,если будут решены проблемы получения исходного материала. В настоящеевремя на рынке есть SiC диоды Шоттки на напряжения до 1200 В и токи до40 А (таблица 4.1).

В ближайшее время ожидается промышленное производствоSiC диодов на 2500 В/100 А, а к концу десятилетия – 5 кВ/200 А. К концу11Электропитание РЭАГлава 4десятилетия возможно также появление диодов на основе GaN и алмазныхплёнок.Ведущей фирмой в этом направлении является "Cree", хотя "Infineon","IXYS" и другие зарубежные фирмы также имеют технологии производства SiCприборов. Основные параметры некоторых SiC диодов Шоттки приведены втаблице 4.1.Исследования и разработки SiC приборов проводятся и в России,например, в АО "НПП "ТЭЗ", ПАО "Светлана" и ЗАО "Группа Кремний-Эл".4.2.3 Вентили с неполным управлениемВентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход ихиз состояния "выключено" в состояние "включено" возможен путём хотя быкратковременного воздействия маломощным сигналом по цепи управления приусловии наличия на вентиле прямого напряжения, т.

е. напряжения такойполярности, при которой вентиль может пропускать ток через себя. Переход жевентиля из состояния "включено" в состояние "выключено", т. е. запираниевентиля и прекращение протекания прямого тока через него, возможно толькопри смене полярности напряжения на вентиле (обратное напряжение) посиловой цепи, а не в результате воздействия по цепи управления.

Такимобразом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включитьвоздействием по цепи управления, но невозможно выключить воздействием поуправлению, а требуется сменить полярность напряжения на вентиле наобратную.Главными представителями неполностьюуправляемых вентилейявляются:- тиристоры (SCR – Silicon Controlled Rectifier) – четырёхслойные p-n-p-nполупроводниковые приборы с анодом А (крайняя p-область), катодом К(крайняя n-область) и управляющим электродом G (внутренняя область);12Электропитание РЭАГлава 4- симисторы (или триаки, TRIAC – triode for alternating current) –пятислойныеp-n-p-n-pполупроводниковыеприборы,которыеможнопредставить в виде комбинации двух встречно-параллельно включенныхчетырёхслойных (тиристорных) p-n-p-n структур.На рисунках 4.6-4.9 приведены схемные обозначения тиристора исимистора, а также их ВАХ соответственно.

Внешний вид приборов приведённа рисунке 4.10.Рисунок 4.6 – Структура и схемное обозначение тиристораРисунок 4.7 – Структура и схемное обозначение симистораИз идеальной ВАХ тиристора, в частности, видно, что тиристорный ключможет проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянииможет выдерживать как прямое, так и обратное напряжение.13Электропитание РЭАГлава 4Рисунок 4.8 – Идеальная и реальная ВАХ тиристораРисунок 4.9 – Реальная ВАХ симистораВ реальной ВАХ предельное прямое напряжение, которое выдерживаеттиристор без его включения, имеет максимальные значения при токеуправления IУ = 0. Чем больше ток управления, тем при меньшем напряжении14Электропитание РЭАнаанодевключаетсяГлава 4тиристор.Включенномусостояниютиристорасоответствует ветвь 3, а выключенному – ветвь 1.

Процессу включениясоответствует участок 2. При приложении к тиристору обратного напряженияприбор всё время находится в закрытом состоянии (участок 4), посколькупереходы J1 и J3 находятся под обратным напряжением, а J2 смещён в прямомнаправлении. При увеличении обратного напряжения начинается резкоевозрастание обратного тока (участок 5), связанное с лавинным пробоемтиристора. Участок 5 является запрещённым участком работы тиристора.Рисунок 4.10 – Внешний вид некоторых тиристоров и симисторовОсновными параметрами тиристоров, определяющими возможности ихиспользования в конкретных схемах ИЭП, являются следующие:- среднее значение анодного тока тиристора Ia, по которому онмаркируется заводом-изготовителем исходя из уровня допустимых потерьактивной мощности (выделения тепла) в вентиле при прохождении прямоготока.

Тиристоры выпускаются на средний ток от 1 А до нескольких тысячампер;- ток удержания Iуд, минимальное значение прямого тока тиристора вслучае отсутствия управления, когда тиристор ещё остается проводящим. Приснижении анодного тока ниже этого значения тиристор переходит в закрытоесостояние;- максимально допустимое прямое и обратное напряжения Umax навентиле, которое он должен выдерживать без пробоя.

Маркируется в виде15Электропитание РЭАГлава 4класса вентиля по напряжению (бывают вентили от 1 до 50 классов),умножение которого на 100 определяет максимально допустимое напряжение;- время восстановления управляющих свойств тиристора tв, котороеопределяется как минимально необходимая продолжительность приложения квентилю обратного напряжения (при его выключении) после прохожденияпрямого тока, в течение которого он восстанавливает свои запирающиесвойства и к нему снова можно приложить максимальное прямое напряжение.Современные тиристоры имеют времена восстановления примерно от десятимикросекунд (для высокочастотных тиристоров) до двухсот микросекунд (длянизкочастотных тиристоров);- заряд восстановления тиристора Qв – полный заряд (накопленный ввентиле при прохождении прямого тока), вытекающий из вентиля при переходеего из состояния проводимости прямого тока в состояние появления на вентилеобратного напряжения;- амплитуда обратного тока вентиля Ibmax, обусловленного выводомзаряда восстановления Qв из вентиля в момент спада до нуля прямого токавентиля (при выключении) с определённой скоростью;- предельная скорость нарастания прямого напряжения на вентиле, припревышении которой возможно включение тиристора в прямом направлениидаже при отсутствии управления из-за появления сигнала-помехи в цепи егоуправляющего электрода, "просачивающегося" через паразитную ёмкостьмежду ним и анодом тиристора.

Обычно эта скорость ограничена от ста дотысячи вольт в микросекунду для различных типов тиристоров;- предельная скорость нарастания прямого тока тиристора при еговключении, связанная с неоднородным распределением тока по площади p-nперехода тиристора, что может привести к локальному повреждению(прожиганию)p-nперехода.Обычноэтавеличинаограничиваетсяизготовителем на уровне от нескольких десятков до нескольких сотен ампер вмикросекунду;16Электропитание РЭАГлава 4- предельная частота импульсов прямого тока вентиля, до которойвентиль может работать без снижения допустимого среднего значения анодноготока. Для низкочастотных тиристоров и диодов эта величина равна 400 Гц, длявысокочастотных – до 10-20 кГц;- время включения tвкл и время выключения tвыкл полупроводниковоговентиляхарактеризуютсоответственновремяпереходавентиляизвыключенного состояния во включенное и из включенного состояния ввыключенное;- параметры сигнала управления в цепи управляющего электродатиристора, обеспечивающие его надёжное включение: напряжение управленияUуэ (несколько вольт), ток управления Iуэ (доли ампера), скорость нарастаниятока управления (1-2 А/мкс), минимальная длительность импульса управления(20-100 мкс).

При этом мощность сигнала управления в тысячи раз меньшемощности, переключаемой тиристором в анодной цепи.Области применения традиционных тиристоров – преобразователинапряжения с коммутацией большой (свыше 1 МВт) мощности, применяемыедля электроприводов постоянного тока, высоковольтных регулируемыхэлектроприводов переменного тока, мощных статических компенсаторовреактивной мощности, технологических целей (электролиз, гальваника, плавкаи т. д.).4.2.4 Вентили с полным управлениемВентили с полным управлением характеризуются тем, что их можноотпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействиемтолько по цепи управления.Промышленноеосвоениеполностьюуправляемыхсиловыхполупроводниковых приборов, характеризующихся широким диапазономзначений коммутируемой мощности, коэффициента полезного действия (КПД),массогабаритныхпоказателейинадёжности,17позволилоосуществлятьЭлектропитание РЭАГлава 4экономичное преобразование электроэнергии и открыло широкие возможностидля создания современных ИЭП.Вентили с полным управлением обладают характеристикой ключевогоэлемента,которыйкоммутирует(включаютиотключают)участкиэлектрической цепи.

Действие ключевого элемента основано на том, что вовключенном состоянии он обладает очень малым сопротивлением, а ввыключенном – весьма большим. Обозначение ключевого элемента, а также егоидеальная и реальная ВАХ показаны на рисунке 4.11.а)б)в)Рисунок 4.11 – Обозначение ключевого элемента (а) и его ВАХ – идеальная (б)и реальная (в)Элементы с такими ВАХ имеют два устойчивых состояния: включенное,соответствующее Rвкл  0 (участок 1 ВАХ); выключенное, соответствующееRвыкл   (участок 2 ВАХ). При этом должно обеспечиваться мгновенноепереключение из одного состояния в другое и наоборот по соответствующемусигналу управления нулевой мощности.Основными параметрами ключевого элемента являются сопротивления вовключенномивыключенномсостояниях,остаточноенапряжениеибыстродействие, определяемое временем переключения.Реальные ключевые элементы, у которых Rвкл  0 и Rвыкл   , могут лишьприближаться по своим параметрам к идеальным.

Характеристики

Список файлов лекций