Лекция 4 - Конспекты (1095372), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При этом разные параметры18Электропитание РЭАГлава 4накладывают и различные ограничения на возможность эффективногоиспользования ключей. Так, например, ВАХ реального элемента, имеющегопадение напряжения при прямом токе и обратный ток, определяет потеримощности в ключе в проводящем и непроводящем состояниях.Потери мощности в ключе сказываются на КПД всего ИЭП, поэтому ихснижение является одной из основных задач разработчиков силовых приборов.Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе егокоммутации, накладывают ограничение на повышение рабочих частот силовыхустройств.
В то же время повышение рабочих частот является доминирующейтенденцией в силовой электронике за последние годы. Это даёт возможностьулучшитьтехнико-экономическиепоказателиИЭПиповыситьихбыстродействие.Внастоящеевремяфункцииключевыхэлементоввыполняютполупроводниковые приборы различных типов. При этом к элементам силовойэлектроники относят приборы, рассчитанные на предельные значения среднегоили действующего значения тока более 10 А.Основными представителями вентилей с полным управлением являются:- запираемые (двухоперационные) тиристоры (GTO – Gate Turn Off);- биполярные транзисторы;- полевые транзисторы;- биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – IsolatedGate Bipolar Transistor).Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обычных(однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачейкороткого, но мощного импульса тока обратной полярности в цепьуправляющего электрода тиристора.
Большая величина этого импульса токаопределяется тем, что коэффициент усиления по току при запирании тиристораневысок, обычно не более 4-5. Поэтому для запираемого тиристора важно несреднее значение прямого тока, а его максимальное (мгновенное) значение, покоторому и маркируются запираемые тиристоры.
Достигнутые предельные19Электропитание РЭАГлава 4параметры запираемых тиристоров за рубежом: по прямому току до 2,5 кА, понапряжению – до 4 кВ, по частоте переключения – до 1 кГц, по коэффициентуусиления по току выключения – до 3-5. Условное обозначение GTO-тиристорапоказано на рисунке 4.12а, а его структура и ВАХ – на рисунках 4.13 и 4.14соответственно.В последние годы GTO-тиристоры были модифицированы и созданновый тип прибора – тиристор, коммутируемый по управляющему электроду(GCT – Gate Commutated Thyristor или IGCT – Integrated Gate CommutatedThyristor).
В них за счёт того, что весь ток включения/выключениякоммутируется через управляющий электрод, почти на порядок сокращаютсявремена коммутации, а значит, и коммутационные потери. Это позволилосегодня уже создать IGCT на 3 кА и 3,5 кВ. При этом для этого тиристора, вотличие от GTO-тиристора, не требуется применения снабберов – специальныхвнешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключениитиристора.
Условное обозначение IGCT-тиристора показано на рисунке 4.12б.а)б)Рисунок 4.12 – Условные обозначения GTO-тиристора (а) и IGCT-тиристора (б)Рисунок 4.13 – Структура GTO-тиристора20Электропитание РЭАГлава 4Рисунок 4.14 – Реальная и идеальная ВАХ GTO-тиристораПродолжаются также разработки запираемых тиристоров с полевымуправлением (без потребления тока) – МСТ (MOS Controlled Thyristor), которыев связи с простотой управления потеснят GTO-тиристоры при условиисопоставимости их предельных электрических параметров.Области применения GTO-тиристоров – преобразователи напряжениямощностью сотни киловольт-ампер для привода вентиляторов, компрессоров,насосов (в том числе высоковольтных); мощных устройств бесперебойногоэлектропитания; статических компенсаторов реактивной мощности.Принципиальным отличием транзисторов от тиристоров является то, чтов них необходимо наличие сигнала управления на всё время прохождения черезтранзистор прямого тока.
Предельные электрические параметры транзистора,определяющиевозможностиегоприменениявустройствахсиловойэлектроники, зависят от типа транзистора. Внешний вид некоторых силовыхтранзисторов приведён на рисунке 4.15.В силовой электронике транзисторы практически всегда применяюттолько в ключевом режиме, то есть они могут быть либо полностью открыты,либо полностью закрыты. Транзисторы обычно не допускают приложения кним обратного напряжения и, поэтому, шунтируются встречно включеннымидиодами.Такоесочетаниетранзисторатранзисторным ключом.21идиоданазываютобычноЭлектропитание РЭАГлава 4Рисунок 4.15 – Внешний вид ряда силовых транзисторовБиполярные транзисторы (BPT – Bipolar Transistor) представляют собойтрёхслойные полупроводниковые структуры p-n-p и n-p-n типов, в которыхимеется два p-n перехода: база-эмиттер и база-коллектор. Биполярныйтранзистор позволяет за счёт изменения тока базы p-n перехода база-эмиттер,смещённого в прямом направлении, управлять в десятки раз бо́ льшим током,текущим через выходной переход база-коллектор, смещённый в обратномнаправлении.
Так как обратное напряжение на коллекторном (выходном)переходе может быть также в десятки раз больше прямого напряжения навходном переходе база-эмиттер, то получается и большое усиление втранзисторе по напряжению, а значит, очень большое (в сотни и тысячи раз)усиление по мощности.Условное обозначение и выходные ВАХ биполярного транзисторапредставлены в строке 1 таблицы 4.2.Возможность транзистора работать в ключевом режиме позволяетиспользовать его в устройствах силовой электроники для управления потокамиэлектроэнергии с целью их преобразования. Ключевой режим работытранзистора обеспечивается соответствующим управлением. В закрытомсостоянии транзистора ток базы делается равным нулю (точка А на выходныххарактеристиках), то есть ключ разомкнут; при этом пренебрегаем малымнеуправляемым током коллектора на нижней ВАХ.
В открытом состоянии22Электропитание РЭАГлава 4транзистора ток базы устанавливается не меньше такого уровня, чтобы рабочаяточка транзистора с заданной внешней цепью величиной тока нагрузки IН былав положении Б, соответствующем наименьшему возможному напряжению натранзисторе при этом токе, для уменьшения потерь мощности в транзисторе.Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токидо сотен ампер с напряжением в сотни вольт. Основные недостаткибиполярных транзисторов связаны с заметными затратами мощности науправление (управление током по базе) и с недостаточным быстродействием,определяющим скорость перехода рабочей точки транзистора из положения А вположение Б и обратно.Таблица 4.2 – Обозначения и ВАХ транзисторов№п/п1Тип транзистораАтрибутыОбозначенияБиполярныеp-n-p-типаn-p-n-типа2Полевые (FET)канал n-типаканал p-типа23ВАХЭлектропитание РЭА№Тип транзисторап/п3Глава 4АтрибутыОбозначенияВАХПолевой МДП (MOS)совстроенным каналомp-типаn-типас индуцированнымканаломp-типаn-типа4Комбинированный(IGBT)канал p-типаканал n-типаБиполярные мощные транзисторы в период 1975-1990 гг.
были основнымклассом силовых транзисторных ключей в преобразователях электроэнергии.Несмотря на непрерывное совершенствование их параметров, улучшениехарактеристик быстродействия различными схемами их управления, всё жеотносительно большое время рассасывания избыточных носителей, а такжепараметры области их безопасной работы значительно ограничивали частотуработы силовых преобразователей до 80-100 кГц.
Однако к концу 1980-х гг.сталоочевидным,чтоэпохадоминирования24биполярныхсиловыхЭлектропитание РЭАГлава 4высоковольтных транзисторов, используемых в преобразователях сетевыхИЭП, работающих на рабочих частотах 100 кГц и выше, практическизавершилась.Полевые (униполяроные) транзисторы (FET – Field Effect Transistor), вотличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителейтока – электронами и дырками, используют один (униполярный) тип носителейтока.Проводимость канала между истоком и стоком (аналоги эмиттера иколлекторабиполярноготранзистора)модулируетсяспомощьюэлектрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении спомощью третьего электрода – затвора (управляющего электрода). Каналможет быть двух типов: n-типа или p-типа.Условные обозначения полевых транзисторов с затвором в виде обратносмещённого p-n перехода и их выходные ВАХ (для канала n-типа) приведены встроке 2 таблицы 4.2.
Теперь уже управляющим параметром для выходныххарактеристик является напряжение на затворе (на входе транзистора), а не токвхода, как у биполярных транзисторов. Входная цепь полевого транзисторавысокоомная и практически не потребляет ток, т. е. управление полевымтранзистором происходит без затраты мощности.Такжепараллельномотметимвозможностьсоединениинадёжнойнесколькихработытранзисторов,припростомобусловленнойположительным температурным коэффициентом сопротивления сток-исток врежиме насыщения.У полевого транзистора с каналом р-типа аналогичные свойства ихарактеристики, только у последних необходимо изменить полярностинапряжений на стоке и затворе (относительно истока) на обратные.Втораяразновидностьполевыхтранзисторов–транзисторысизолированным затвором.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
