Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Диодные и триодные тиристоры




Назначение и классификация

Силовые модули на основе IGBT-транзисторов

 

Одним из эффективных путей улучшения технико-экономических показателей преобразователей является конструктивно-технологическая интеграция элементов и, в частности, полупроводниковых приборов. Гибридные интегральные схемы, состоящие из соединенных определенным образом приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.), смонтированных в едином пластмассовом корпусе, называются силовыми полупроводниковыми модулями.

Схемы соединения элементов в модулях обычно соответствуют типовым схемам преобразования (например, однофазный или трехфазный мост) или их составным частям (например, последовательно или параллельно соединенные элементы).

Серийные транзисторные модули обычно изготавливаются по планарной технологии.

В настоящее время производство силовых модулей на основе IGBT- транзисторов осваивает ОАО “Электровыпрямитель” (г. Саранск).

IGBT-модули обладают следующими преимуществами:

– электрическая изоляция элементов схем модулей от охлаждающих устройств, что позволяет устанавливать их на одном радиаторе (охладителе);

– легкость монтажа и удобство объединения с другими схемами преобразователя;

– минимизация паразитных индуктивностей в силовых цепях и, за счет этого, снижение всплесков перенапряжений и коммутационных потерь в транзисторах;

– так как транзисторы обладают высокой стойкостью к du/dt, то их надежная работа обеспечивается при предельных загрузках по току и напряжению;

– возможность использования IGBT-модулей в параллельных соединениях;

– малые времена спада тока при выключении;

– очень низкие и практически не зависящие от температуры остаточные токи, что особенно важно при работе транзисторов на высоких частотах;

– высокие значения коммутируемых токов (до 1200 А) и напряжения (до 3,3 кВ).

Модули бывают 1, 2, 3 конструктивного исполнения:

1 исполнение – ширина модуля 34 мм (токи 25, 50, 75 А);

2 исполнение – ширина модуля 62 мм (токи 100, 150, 200 А);

3 исполнение – ширина модуля 62 мм (токи 200, 320, 400 А).

С 1998 года ОАО ”Электровыпрямитель” наладило производство модулей на ток 1200 А и напряжением 3300 В шириной 140 мм.

 

7. Тиристоры

 

 

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Это определило его название – “thyra” по гречески “дверь”. Тиристор подобно двери открывается, пропуская электрический ток, и закрывается, преграждая путь току. Тиристоры используются в цепях электропитания устройств связи и энергетики, в качестве регуляторов.

Применение тиристоров на электроподвижном составе и тяговых подстанциях позволило осуществлять плавное регулирование выпрямленного тока, инвертирование тока, а также выполнять ряд других функций.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор. К числу факторов, наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры).

По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них вместо трех – четыре (или более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость последовательно чередуется.

Существует много разновидностей тиристоров (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Классификация тиристоров

Основными типами являются диодные и триодные тиристоры.

 

 

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины – напряжения включения (Uвкл), являющейся параметром прибора.

В триодных тиристорах (тринисторах) управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.2. Тиристор имеет структуру p1-n1-p2-n2 c тремя p-n-переходами (П1- П3).

 

Рис. 7.2. Устройство тиристора с управляющим электродом

 

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремниевая пластина n-типа. Сначала путем диффузии акцепторной примеси с обеих сторон создают транзисторную структуру p1-n1-p2. Затем, после локальной обработки поверхности слоя p2, вносят донорную примесь в этот слой для получения четвертого n2-слоя.

Рассмотрим структурную схему тиристора при приложении напряжений обратной и прямой полярности и его ВАХ (рис. 7.3, 7.4).

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления Iу = 0. Обратному напряжению соответствует полярность, указанная на рис. 7.3 без скобок. При приложении обратного напряжения Uобр переходы П1 и П3 закрыты, П2 – открыт. Падение напряжения на переходе П2 мало, поэтому можно предположить, что обратное напряжение Uобр распределяется равномерно между переходами П1 и П3.

 

Рис. 7.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

 

Рис. 7.4. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

При изготовлении тиристоров концентрация примесей в слоях p2 и n2 делается намного выше концентрации примесей в слоях p1 и n1, поэтому переход П3 получается узким. С приложением обратного напряжения переход П3 вступает в режим электрического пробоя при напряжении, меньшем рабочего напряжения тиристора, то есть обратное напряжение приложено по существу к переходу П1.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П1 или диода (рис. 7.3). Именно на переходе П1 решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений (создание лавинного тиристора).

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П1 и П3 открыты, переход П2 закрыт.

Рассмотрим работу тиристора при токе управления Iу = 0. Этот режим соответствует работе тиристора в режиме динистора.

Для рассмотрения принципа работы тиристора воспользуемся двухтранзисторной аналогией. На рис. 7.4 можно представить структуру p1-n1-p2 в виде транзистора VT1, а структуру n2-p2-n1 в виде транзистора VT2. При этом переходы П1 и П3 будут являться эмиттерными переходами двух транзисторов, а переход П2 будет являться общим коллекторным переходом для обоих транзисторов. Через эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 будут протекать токи Iэ1 и Iэ2, а коэффициенты передачи этих токов – α1 и α2.

Из-за большого сопротивления перехода П2 тиристор находится в закрытом состоянии.

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n1 и p2. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы (П1 и П3) происходит инжекция основных носителей заряда в соответствующие базы транзисторов n1 и p2. В транзисторе VT2 электроны из эмиттера (слой n2) переходят в базу (слой p2), где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в слое p2 избыточный положительный заряд.

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П2 в области n1 имеется положительный заряд, а в области p2 – отрицательный, образующие потенциальный барьер. Избыточные электроны в слое n1 и дырки в слое p2, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение Uпр, тем больше это поле, и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер, при этом Uпр достигнет значения напряжения включения Uвкл. Ток тиристора резко возрастет, тиристор откроется, его ВАХ будет идентична ВАХ диода. Сопротивление перехода П2 станет незначительным (как у переходов П1 и П3). На рис. 7.3 значение напряжения включения Uвкл соответствует значению в точке а.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно еще весьма просто объяснить математически.

Коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются следующим образом:

Iк1 = a1×Iэ1;

Iк2 = a2×Iэ2. (7.1)

Через коллекторный переход течет еще обратный ток этого перехода – Iко – тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет равен:

Iкол = Iк1 + Iк2 + Iко = a1×Iэ1 + a2×Iэ2 + Iко. (7.2)

Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет равен:

IА = Iк = Iэ1 = Iэ2. (7.3)

Из выражения (7.2) с учетом (7.3) можно определить ток анода:

. (7.4)

При малых токах a1 и a2 значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с выражением (7.4) ток IА получается сравнительно небольшим. С увеличением тока a1 и a2 растут, и это приводит к возрастанию тока IА. При некотором токе, являющимся током включения Iвкл, сумма a1 + a2 становится равной единице и ток IА возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки Rн (участок б-в на рис. 7.3). Именно такое стремление тока IА неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, то есть на отпирание тиристора.

При отсутствии тока управления Iу тиристор будет всегда открываться при напряжении включения Uвкл (точка а на рис. 7.3), но он неуправляем, т.е. работает в режиме динистора.

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов электроподвижного состава. Работа его заключается в следующем: при возникновении перенапряжения и соответствующем пробое динистора вентильная обмотка преобразовательного трансформатора закорачивается, но аварийное перенапряжение при этом не пропускается на нагрузку.

Недостатком динисторов является большое значение напряжения включения Uвкл при протекании больших токов.

Создав третий электрод можно управлять моментом открытия тиристора. Такой тиристор (трехэлектродный) называется тринистором.

С увеличением напряжения управления + Uупр возрастает значение тока управления Iу. Ток управления приводит к движению электронов из области n2 в область p2. Для области p2 электроны – неосновные носители заряда, для них поле перехода П2 действует втягивающее (экстракция). Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения Uпр меньшем, чем значение напряжения включения Uвкл. У тиристора растет значение a2, сумма a1 + a2 стремится к единице при напряжении Uпр < Uвкл. Значения тока Iу – единицы миллиампер, при этом значения тока IА достигает десятков и сотен ампер. На рис. 7.3 точки г, д, е, ж соответствуют различным сочетаниям значений Uвкл и Iу (Uвкл1 и Iу1; Uвкл2 и Iу2 и т.д.). Существует значение тока управления, при котором тиристор открывается сразу – ток управления спрямления. При этом ВАХ тиристора вырождается в ВАХ диода.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия, тиристор не может закрыться при уменьшении Iу, а закроется при условии, что ток анода IА будет меньше тока удержания Iуд.

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-10-15; Просмотров: 3466; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.023 сек.