Силовые электронные ключи

Электронные ключи. Электронным ключом называется устройство для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, содержащее по крайней мере один управляемый вентильный прибор. Вентильный прибор (вентиль) — электронный прибор, проводящий ток в одном направлении. На основе двух или более вентильных приборов создаются двунаправленные ключи, проводящие ток в двух направлениях. Понятие «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электрической энергии, а не потоком информации. К «силовым» приборам формально принято относить приборы с максимально допустимым значением среднего тока свыше 10 А или импульсным током свыше 1000 А. Функции силовых электронных ключей в настоящее время выполняют силовые полупроводниковые приборы, физической основой которых являются полупроводниковые структуры с различными типами электронной проводимости.

Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, конструктивному исполнению, электрическим параметрам, применению и др. Поскольку полупроводниковые приборы являются нелинейными элементами, то их существенными характеристиками являются вольт-амперные характеристики (ВАХ), связывающие значения токов и напряжений на приборе в различных режимах его работы.

Статические режимы работы ключей. Статическим режимом работы ключа называется установившийся после переключения режим его работы в одном из следующих состояний: включенном (проводящем) или выключенном (непроводящем). Основной характеристикой ключа в этом режиме является статическая ВАХ. В отличие от идеального ключа (рис. 12.1) ВАХ реального ключа в проводящем состоянии имеет прямое падение напряжения Δu_S, а в непроводящем — пропускает остаточный ток i_S0 (прямой или обратный). На рис. 12.2, а приведена статическая ВАХ ключа с односторонней проводимостью прямого тока (например, полупроводникового диода). В общем случае она описывается аналитическими уравнениями. Для упрощения анализа цепей, содержащих электронные ключи, ВАХ последних аппроксимируются более простыми математическими функциями (рис. 12.2, б), позволяющими посредством несложных математических преобразований произвести предварительную оценку установившихся электрических параметров цепи, содержащей такие элементы.

На аппроксимированной ВАХ (рис. 6.2, б) начальный участок при прямом напряжении представлен отрезком Δu_S, а углы α_пр и β_пр соответствуют наклону аппроксимированных ВАХ в прямом и обратном направлениях.

Динамические режимы работы ключей. Динамическим режимом работы ключа называется его работа в процессе перехода из одного состояния (например, включенного) в другое (например, выключенное) и наоборот. Применительно к ключам, работающим в электрических цепях, такие процессы называют также коммутационными, так как они соответствуют включению (отключению) цепи в электрической схеме или переводу тока из одной ветви электрической схемы в другую.

Одной из основных характеристик работы ключа в динамическом режиме является динамическая ВАХ, которая представляет зависимость напряжения на ключе u_S от протекающего через него тока в переходном процессе. Динамические ВАХ называют также траекториями переключения (коммутации) электронного ключа. Переходные процессы в ключах зависят от быстродействия и параметров элементов электрической цепи.

Статические и динамические ВАХ ключевых приборов позволяют не только оценивать потери в них активной мощности, но и определять область их безопасной работы.

Диод — полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электрической проводимости: электронной — n-типа и дырочной — р-типа. На границе этих областей возникает электронно-дырочный переход, физические явления в котором позволяют изменять проводимость диода, придавая ему свойства электронного ключа с односторонней проводимостью и неполной управляемостью. Вывод диода со стороны р-области называют анодом А, а со стороны n-области — катодом С (рис. 12.3). При подключении внешнего источника напряжения к аноду «минусом» относительно катода (такое подключение относительно р-n-перехода называют обратным) состояние равновесия зарядов в диоде нарушается и через диод начинает протекать небольшой ток i₀. Этот ток слабо зависит от обратного напряжения u_R. Увеличение u_R приводит к возникновению пробоя, сопровождаемого резким увеличением электрической проводимости диода, и к его возможному разрушению. При подключении к диоду внешнего источника прямого напряжения u_F («плюс» источника — к р-области, а «минус» — к n-области) напряжение потенциального барьера в переходе понижается, в результате через диод начинает протекать прямой ток i_F.

Скорость спада и нарастания тока в диоде зависят от многих факторов: его конструкции, параметров подключенной цепи и др. Следует отметить, что из-за накопления диодом в проводящем состоянии избыточных носителей электрических зарядов его выключение сопровождается незначительным по значению и быстро прекращающимся обратным током i₀. Это явление может вызывать на диоде опасные перенапряжения. Одним из распространенных средств борьбы с этим является шунтирование диода демпфирующей RC-цепью.

По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся и диоды Шоттки.

Диоды общего назначения. Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (до 10 кВ) и прямого тока (до 10 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления (выключения) диодов обычно находится в диапазоне 25—100 мкс, что ограничивает область их применения использованием в цепях с частотой не выше 500 Гц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы достигает 2,5—3 В в приборах высокого напряжения. Диоды общих назначений выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили два вида исполнения: штыревое и таблеточное (рис. 12.4).

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. Допустимые значения тока составляют от 10 А до 1 кА, обратного напряжения — от 50 В до 3 кВ. Наиболее быстродействующие диоды с напряжением до 400 В и током 50 А имеют время обратного восстановления 0,1—0,5 мкс. Такие диоды можно использовать в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и более.

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 кремния n-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника — положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей — электронов. Диоды Шоттки, таким образом, являются униполярными приборами с одним типом основных носителей. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно 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 p-n-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений обычно ограничивается 100 В, поэтому диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.

Силовой транзистор - это электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении, и большинство их видов не выдерживают обратного напряжения.

По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов: биполярные, полевые, среди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (англ. MOS — metal oxide semiconductor), и биполярные с изолированным затвором (МОПБТ) (англ. IGBT — insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы n-p-n- и p-n-p-типов (рис. 12.5). Среди силовых транзисторов большее распространение получил n-p-n-тип. Средний слой структуры называют базой В. Внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители, называется эмиттером Е, собирающий носители — коллектором С. Каждый из слоев имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.

Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттера и коллектора зависят от значения тока базы, который в схемах электронных ключей является током управления. Следовательно, биполярные транзисторы могут рассматриваться как электронные ключи, которые управляются током. Биполярные транзисторы с током 50 А и более обычно рассчитаны на напряжение менее 600 В и частоту коммутации до 20 кГц. Применение силовых электронных ключей на основе биполярных транзисторов связано с необходимостью больших затрат мощности на их управление и, кроме того, ограничено относительно низкой рабочей частотой.

Полевые транзисторы (МОП-транзисторы). Принцип действия этих транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика обычно используются оксиды, например диоксид кремния SiO₂.

Различают два типа МОП-транзисторов: с индуцированным каналом и встроенным каналом. Оба типа имеют выводы из структуры транзисторов: сток D, исток S, затвор G, а также вывод от подложки В, соединяемой обычно с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала различают также транзисторы с n- и p-типами каналов. На рис. 12.6 изображены структуры и символы МОП-транзисторов с каналами n-типа. Для понижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содержанием носителей. Такие слои обозначают дополнительным верхним индексом, например n⁺-типа. В МОП-транзисторах с индуцированным каналом последний образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на управляющий затвор относительно объединенных выводов истока и подложки, т.е. они работают в режиме обогащения носителями зарядов, что позволяет управлять током стока.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток — исток протекает и при отсутствии напряжения на затворе. Для управления этим током на затвор может подаваться напряжение как больше нуля для обогащения канала, так и меньше нуля для его обеднения носителями.

Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП-транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие. Поэтому МОП-транзисторы называются также униполярными транзисторами.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП-транзисторов сильно зависят от напряжения. Например, при токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В, сопротивление проводящего канала примерно 0,5 Ом, частота коммутации обычно не превышает 100 кГц.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (МОПБТ). Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию МОПБТ-транзисторов. Выполненный в одном кристалле, он имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых транзисторов.

На рис. 12.7 представлены структура, эквивалентная схема и символ МОПБТ с каналом n-типа. Эта структура во многом подобна структуре МОП-транзистора. Принципиальная разница заключается в наличии нижнего слоя с проводимостью р⁺-типа, который придает МОПБТ свойства биполярного транзистора.

При отсутствии напряжения на затворе транзистор закрыт. Включение транзистора с каналом n-типа осуществляется подачей положительного напряжения на затвор относительно истока (эмиттера). Коммутируемые токи современных силовых МОПБТ (в модульном исполнении) достигают 1,2 кА при напряжении 3,5 кВ, а частота в зависимости от нагрузки находится в диапазоне 10—100 кГц.

Тиристоры. Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более p-n-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Обычный тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т.е. включаться. Для его выключения необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод G (рис. 12.8).

Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: p-n-p и p-n-p, эквивалентных биполярным транзисторам. В этом случае анодный ток тиристора i_A может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных биполярных транзисторов VT1 и VT2. Такая схема соединенных трехслойных структур содержит внутренние положительные обратные связи. Увеличение тока управления тиристора i_G приводит к включению транзистора VT2 и соответственно к увеличению тока базы транзистора VT1 и его включению. Благодаря положительной обратной связи между этими эквивалентными транзисторами включение тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда ток ограничен сопротивлением нагрузки. При этом ток открытого тиристора должен превышать минимальное значение, удерживающее тиристор в открытом состоянии. Для ускорения включения передний фронт импульса управления должен быть крутым, иметь амплитуду, указанную в технических условиях на применение в конкретных условиях, а длительность импульса учитывать параметры схемы и алгоритм ее работы.

Учитывая неполную управляемость тиристора, различают два способа его выключения: естественный и принудительный (искусственный). Первый способ используется для выключения тиристора в цепи переменного тока при изменении полярности последнего. Второй основан на подключении к выключаемому тиристору источника энергии, способного развить ток, направленный встречно прямому току выключаемого тиристора, обеспечив спадание последнего до нуля, т.е. выключение тиристора. При этом следует отметить, что для восстановления тиристором запирающей способности к напряжению после прохождения прямого тока через нуль необходимо обеспечить паузу длительностью от единиц до сотен микросекунд для восстановления запирающих свойств тиристора в зависимости от его типа. На рис. 12.9 представлен пример схемы принудительного выключения тиристоров в цепи постоянного тока посредством предварительно заряженного конденсатора С_к. После прохождения тока тиристора i_VS через нуль к тиристору вновь может быть приложено прямое напряжение u_AC в течения времени t ≥ t_q запирающие свойства тиристора восстанавливаются.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 10 кВ и токами до 10 кА. В то же время частота наиболее мощных приборов обычно не превышает 1 кГц. Конструктивные исполнения тиристоров и силовых диодов во многом сходны.

Существует большое разнообразие типов тиристоров, весьма различных по своим характеристикам и функциональным возможностям (рис. 12.10). Среди них следует выделить:

· запираемые тиристоры;

· быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс);

· объединенные конструктивно пары встречно-включенных тиристоров (симисторы, или триаки);

· асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен со встречно-включенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока;

· оптотиристоры, управляемые световым потоком;

· диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения.

Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает эффективность их применения. Для устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые по управляющему электроду. Среди них в настоящее время чаще всего выделяют три типа запираемых тиристоров:

· запираемый тиристор (англ. GTO — Gate Turn-Off Thyristor), переключаемый в открытое состояние и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;

· тиристор, переключаемый по управляющему электроду (англ. GCT — Gate Commutated Thyristor), и его разновидность — тиристор, переключаемый по управляющему электроду с интегрированным управлением (англ. IGCT-Integrated Gate Commutated Thyristor), отличающийся наличием интегрированной с тиристором схемы управления;

· тиристор с полевым управлением (англ. МСТ — MOS-Control Thyris­tor), содержащий два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а второй — аналогично процесс выключения тиристора.

Тиристоры GTO и GCT способны блокировать напряжение до 6 кВ и управлять током 6 кА. При этом GCT превосходит GTO по быстродействию и стойкости к скоростям напряжения и тока. Коэффициент усиления по току управления в GCT равен 1, что в 3—5 раз выше, чем в GTO. В то же время длительность тока управления в GCT не превышает 1 мкс.

Тиристоры типа МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа GTO и GCT в части быстродействия и более простой реализации управления. Современные образцы МСТ показывают способность коммутировать мощности свыше 10 МВт при частоте 10 кГц.

Сравнение силовых полупроводниковых ключей.Основными показателями, определяющими область применения приборов, являются значения коммутируемой мощности и быстродействие. Условно можно разделить коммутируемую прибором мощность натри диапазона: низкую (до 100 кВт), среднюю (100 кВт — 10 МВт) и высокую (от 10 МВт — свыше 100 МВт). Соответственно по быстродействию можно выделить следующие диапазоны рабочих частот: низкочастотные (до 3 кГц), среднечастотные (до 20 кГц) и высокочастотные (до 1 МГц и выше). В области средней мощности наиболее широко применяются транзисторы типа МОПБТ (IGBT). В то же время модульное исполнение этих приборов позволяет увеличить рабочее напряжение до 3,5 кВ при токе 1200 А и более. Модуль (HVIGBT) высокого напряжения является ключом большой мощности. При этом его управляе­мость превосходит приборы типов GTO и GCT.

В настоящее время в преобразователях частоты в системах электро­привода и инверторах для систем бесперебойного электроснабжения средней мощности применяется прибор 1GBT. Создание модулей высо­кого напряжения HVIGBT сделало прибор конкурентоспособным с наиболее мощными приборами для создания преобразователей в энерге­тике, в частности, для «вставок» постоянного тока в линиях электропере­дачи и для тягового электротранспорта.

Низкочастотным и не полностью управляемым прибором большой мощности является традиционный тиристор. В настоящее время номи­нальная мощность запираемых тиристоров GCT и GTO достигает значе­ния мощности традиционного тиристора, выполненного на 6-дюймовой пластине кристалла кремния. Более детальное сравнение GTO и GCT . показывает, что применение последнего позволяет улучшить КПД инвер­тора мощностью

10 MB•А и снизить массу примерно на 25 % за счет отсутствия ЦФТП (снаббера). Характеристики силовых электронных ключей за последние годы постоянно улучшаются. Основой этого явля­ются новые технические решения в областях создания конструкций структур приборов и развития электронных технологий, позволяющих их реализовать. Подтверждением этого является разработка:

МОП-транзисторов с очень низким сопротивлением в открытом состо­янии (Coor-MOS);

модификаций GTO с «прозрачным» эмиттером, «буферным» слоем, сильно разветвленным катодом в виде многочисленных интегрированных сегментов, с шунтированием большого числа участков анода; приборов GCT и IGCT с «жестким управлением»; модуля IGBT высокого напряжения.

Этот перечень может быть значительно расширен.

Практически все силовые электронные ключи выполняются на основе кристаллов кремния с добавкой различных примесей, изменяющих харак­тер проводимости структур приборов. Успехи развития полупроводниковых приборов на базе кремния не исключали проведения многолетних науч­ных исследований в целях замены его новым материалом, позволяющим значительно улучшить характеристики полупроводниковых приборов.

В публикациях на эту тему указываются следующие материалы, рас­сматриваемые в качестве потенциальных заменителей кремния: арсенид галлия, разновидности карбида кремния и алмаз. По ряду своих свойств, имеющих важное значение для характеристик полупроводников, они зна­чительно превосходят кремний. Однако существуют нерешенные техни­ческие проблемы замены ими кремния в настоящее время. Так, указыва­ются следующие основные достоинства и недостатки материалов, рассматриваемых в качестве возможных заменителей кремния.

Арсенид галлия позволяет получить меньшее сопротивление в прово­дящем состоянии, повысить быстродействие, пробивное напряжение и рабочую температуру полупроводниковых приборов. Однако механические свойства арсенида галлия затрудняют создание пластин кристалла с диа­метром, необходимым для производства мощных приборов.

Карбид кремния имеет значительные преимущества перед кремнием в обеспечении электрических характеристик приборов (сопротивления), стойкости к пробивному напряжению и способности работать при высо­ких температурах. Однако его механические свойства не позволяют созда­вать в настоящее время пластины диаметром более 1 дюйма.

Алмаз имеет очень привлекательные свойства для создания полупровод­никовых приборов, но реализация их требует развития специальных техно­логий выращивания кристаллов, которые в настоящее время отсутствуют.

Из рассмотренных материалов наиболее перспективным на ближайшее будущее считается карбид кремния. Согласно данным ведущих специали­стов этой области, в настоящее время разработаны диоды Шоттки, падение напряжения которых в проводящем состоянии составляет 1,2 В в приборе, рассчитанном на напряжение 1600 В. Развитие и внедрение технологий на основе карбида кремния, позволит снизить потери в силовых ключах в десятки раз, что откроет новый этап в развитии силовой электроники.

Модули силовых электронных ключей.Для улучшения технико-эко­номических показателей преобразователей, регуляторов и других силовых электронных устройств широко используется интеграция силовых клю­чей, соединенных, как правило, по типовым, наиболее распространенным схемам. Интегрированные отдельные приборы в одном, обычно пластмас­совом корпусе, с теплоотводящим основанием называются модулем. При этом металлическое основание для отвода тепла отделяется от токопроводящих элементов специальным электроизоляционным слоем. Этот слой обеспечивает необходимую электрическую изоляцию.

На основе последовательного и параллельного соединения транзисто­ров создаются модули ключей с двунаправленной проводимостью тока, способных выдерживать как обратное, так и прямое напряжение в закры­том состоянии в целях постоянного и переменного тока. Создание широкой гаммы модулей значительно сокращает затраты на разработку и произ­водство силовых электронных устройств. Конструктивно силовые модули выполняются в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа. Развитие высоких технологий в области силовой электроники привело к концу 80-х годов к созданию новой элементной базы, получившей назва­ние «разумные» силовые интегральные схемы (англ. smart power integrated circuits) или «интеллектуальных» силовых интегральных схем (ИСИС). По существу ИСИС являются электронными модулями, объеди­няющими в одном кристалле (или корпусе) как силовые электронные ком­поненты, например силовые транзисторы, так и схемы их управления, защиты, диагностики состояния модуля, а также различные интерфейсы. Последние позволяют обеспечить функционирование модуля в системе с учетом обмена информацией и контроля более высокого уровня. Элект­ронные модули можно определить как устройство, функционально и конструктивно объединяющее элементы силовой и информационной электроники на основе высоких технологий их интеграции. Большинство современных ИСИС имеют собственную защиту силовых ключей по току, напряжению и температуре. Основой такой защиты являются датчики, контролирующие эти параметры. Использование традиционных методов измерения с непосредственным включением датчиков в силовые цепи, например дополнительных сопротивлений, имеет ряд недостатков, в част­ности, дополнительные потери мощности и др. Поэтому для этих целей используют методы, основанные на измерении косвенных параметров. Например, ток нагрузки может быть определен по напряжению транзистора во включенном состоянии. С этой целью в качестве датчиков используют измерительные транзисторы малой мощности, включаемые таким образом, чтобы минимизировать потери мощности при измерении и обеспечить мак­симальное быстродействие защиты. Основными преимуществами при­менения ИСИС являются: существенное улучшение массогабаритных показателей преобразовательных устройств, минимизация монтажных соединений, программное изменение функций и высокие технические характеристики. Использование силовых интегральных модулей совме­стно с другими функциональными узлами в интегральном исполнении, создание специализированных печатных плат с сильноточными соедине­ниями для установки силовых модулей и других силовых элементов явля­ется перспективным направлением в дальнейшем развитии силовой элек­троники.