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 n1, 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 Uпр, 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:
Iк1=a1×Iэ1,
Iк2=a2×Iэ2.
Через коллекторный переход течет обратный ток этого перехода - Iко - тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет:
Iкол=Iк1+ Iк2+ Iко.
Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет:
IА= Iк= Iэ1= Iэ2,
. (7.1)
При небольших значениях a ((a1+a2)®0), ток Iа мал, при (a1+a2)®1, Iа®¥, но его ограничивает сопротивление Rн (участок б-в рис. 7.3).
Коэффициенты a1 и a2 зависят от тока. Момент открытия тиристора зависит от величины a.
При отсутствии тока управления Iу тиристор будет всегда открываться при напряжении включения Uвкл (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 Uвкл при протекании больших токов. Создав третий электрод можно управлять моментом открытия. Такой прибор называется тринистором.
С увеличением напряжения управления возрастает ток управления Iупр. 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 Uпр меньшем значения напряжения включения Uвкл. 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 IА меньше тока удержания Iуд.
Дата добавления: 2015-08-08; просмотров: 1169;