Силовые модули на основе IGBT-транзисторов

Одним 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.

Серийные транзисторные модули обычно изготавливаются по планарной технологии.

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

IGBT-модули обладают следующими преимуществами:

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

– 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 du/dt, то их надежная работа обеспечивается при предельных нагрузках по току и напряжению;

– возможность использования IGBT-модулей в параллельных соединениях;

– малые времена спада тока при включении;

– 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 (до3,3 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”Электоровыпрямитель” планировало наладить 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 одного открытого состояния в состояние закрытое и наоборот.

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

Применение тиристоров на ЭПС и тяговых подстанциях позволило осуществить плавное регулирование выпрямленного тока, инвертирование тока, а также выполнить 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.

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, являющейся параметрами прибора, то есть напряжением включения.

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

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Устройство тиристора с управляющим электродом

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремневая 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. 7.2, 7.3).

При изготовлении тиристоров концентрация примесей слоев p₂ и n₂ намного выше, чем концентрация 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. Именно на переходе П₁ решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжения.

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

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n₁ и p₂. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы происходит инжекция основных носителей заряда соответствующей базе транзисторов n₁ и p₂. В тиристоре VT2 электроны из эмиттера (n₂-слой) переходят в базу (p₂-слой), где становятся не основными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n_1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в p₂ избыточный положительный заряд.

Рис. 7.2. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П₂ в области n₁ имеется положительный заряд, а в области p₂ – отрицательный, образующий потенциальный барьер. Избыточные электроны в n₁ и дырки в p₂ накапливаясь создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение U_пр, тем больше это поле и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер. Ток тиристора резко возрастает, тиристор откроется и его ВАХ соответствует ВАХ диода. Сопротивление перехода П₂ станет незначительным (как у П₁ и П₃).

Рис. 7.3. Вольтамперная характеристика тиристора

Коллекторные токи определяются следующим образом:

I_к1=a₁×I_э1,

I_к2=a₂×I_э2.

Через коллекторный переход течет обратный ток этого перехода - I_ко - тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет:

I_кол=I_к1+ I_к2+ I_ко.

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

I_А= I_к= I_э1= I_э2,

. (7.1)

При небольших значениях a ((a₁+a₂)®0), ток I_а мал, при (a₁+a₂)®1, I_а®¥, но его ограничивает сопротивление R_н (участок б-в рис. 7.3).

Коэффициенты a₁ и a₂ зависят от тока. Момент открытия тиристора зависит от величины a.

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

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательного трансформатора.

Недостатком является большое значение напряжения включения U_вкл при протекании больших токов. Создав третий электрод можно управлять моментом открытия. Такой прибор называется тринистором.

С увеличением напряжения управления возрастает ток управления I_упр. Ток управления приводит к движению электроны из n₂-области в p₂-область. Для области p₂ – электроны не основные носители заряда, для них поле перехода П₂ действует втягивающе. Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения U_пр меньшем значения напряжения включения U_вкл. Если ток управления, при котором тиристор открывается сразу и работает как диод – ВАХ тиристора выражается в ВАХ диода, это значение тока управления называют током спрямления.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия. Условия закрытия тиристора: ток анода I_А меньше тока удержания I_уд.