Полупроводниковые вентили

Тиристорные преобразователи частоты

Полупроводниковые вентили

Наиболее распространенными силовыми полупроводниковыми приборами являются тиристоры и диоды. Приведем краткие сведения о них.

Диод – это полупроводниковый неуправляемый прибор с двухслойной структурой р-п. Он имеет два электрода (анод и катод) и может проводить ток только в одном направлении от анода к катоду при наличии положительного напряжения на аноде.

Тиристор – это полупроводниковый управляемый вентиль с четырехслойной структурой р-п- р-п (рис.43.1, а).

а б

Рис.43.1. Структура (а) и вольтамперные характеристики тиристора (б)

Он имеет три электрода (анод А, катод К и управляющий электрод УЭ) и проводит ток от анода к катоду при положительном напряжении на аноде и сигнале на управляющем электроде, подсоединенном к одному из средних слоев.

Тиристор можно перевести в проводящее состояние двумя способами: 1) увеличивая анодное напряжение и_а; 2) увеличивая ток управления I_у.

При отсутствии управляющего сигнала, то есть при I_у = 0, и приложенном напряжении к зажимам анод–катод ток через тиристор практически не протекает. Однако, если анодное напряжение на тиристоре станет равным и_п0, анодный ток резко возрастет, тиристор откроется и напряжение на нем резко снизится до малой величины.

При подаче на управляющий электрод положительных импульсов тока I_у включение тиристора происходит при меньших прямых анодных напряжениях (для характеристик, показанных на рис.43.1, б - I_у2 > I_у1 > I_у0, и_п2 < и_п1 < и_п0). При некотором значении I_у тиристор работает как неуправляемый диод.

При изменении полярности питающего напряжения ток в тиристоре мал и только при и = и_обр происходит пробой тиристора, и он выходит из строя.

Ниже приводится определение основных параметров тиристоров.

1. Предельный ток I_а.ср – максимально допустимое, среднее за период значение тока, длительно протекающего через прибор.

2. Рекомендуемое рабочее напряжение в закрытом состоянии U_{b макс} – амплитудное значение напряжения синусоидальной формы, прикладываемого к прибору в обратном (прямом закрытом) направлении при отсутствии повторяющихся и неповторяющихся напряжений. Для тиристоров это напряжение примерно на 20, а для диодов – на 33 % ниже класса прибора (класс прибора соответствует допустимому напряжению на нем в сотнях вольт). Повторяющееся напряжение может существовать в виде выбросов на кривой приложенного напряжения в каждый период (например, коммутационные пики). Неповторяющееся напряжение может возникать в аварийных ситуациях и допускается ограниченное число раз в течение срока службы прибора. Максимально допустимые мгновенные значения указанных напряжений соответственно равны классу и превышают класс на 10 ÷ 16 %.

3. Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии I_удар – максимально допустимая амплитуда аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданной начальной температуре структуры без последующего приложения напряжения. Тиристор может выдержать импульсы ударного тока от 100 до нескольких сотен раз за весь срок службы.

4. Время включения t_вкл – время от момента подачи импульса тока управления до момента снижения анодного напряжения на 90 % начального значения при работе на активную нагрузку. При рассмотрении потерь в тиристоре воспользуемся также понятием времени достижения стационарного состояния; напряжение на приборе в течение этого времени уменьшается от 10 % первоначально приложенного до значения падения напряжения, соответствующего статической ВАХ. Для современных тиристоров средней мощности это время составляет 20 ÷ 50 мкс.

5. Время выключения t_в.п. – время от момента, когда прямой ток через тиристор, снижаясь, достигнет нуля, до момента, начиная с которого тиристор способен выдерживать прикладываемое в прямом направлении напряжение определенной амплитуды и скорости нарастания. Наиболее существенно это время зависит от температуры р-п перехода и значения обратного напряжения.

6. Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения, при которой не происходит переключения прибора при напряжении, равном 67 % напряжения класса, и разомкнутой цепи управления. Из-за наличия емкости центрального р-п перехода с увеличением возрастает емкостный ток и при превышении этим током тока переключения тиристор включится; падает с увеличением температуры и анодного напряжения.

7. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии – максимально допустимое значение скорости нарастания тока через прибор, не вызывающее необратимых процессов в р-п структуре и связанного с ними ухудшения электрических параметров. Критическая скорость нарастания прямого тока повышается с увеличением амплитуды тока управления. Она может быть повышена при использовании конструкции разветвленного управляющего электрода; при этом расширяется зона первоначального включения.

Как правило, перечисленные параметры приборов являются предельными, так как указываются при предельных значениях влияющих факторов (максимальная или минимальная температура, условия охлаждения и т.п.).

Для ограничения скорости нарастания напряжения на тиристоре параллельно ему включают RC-цепь (напряжение на конденсаторе не может измениться скачком), в результате снижаются пики коммутационных перенапряжений.

Для ограничения скорости нарастания анодного тока в вентиле последовательно с ним включают реакторы, часто выполненные как реакторы с насыщением.

При последовательном соединении вентилей параллельно им включают высокоомные шунтирующие сопротивления (для принудительного выравнивания напряжений).

При параллельном соединении вентилей предусматриваются устройства для искусственного выравнивания токов.

При создании инверторов часто используется ячейка тиристор-диод.