Материал: s_electro

• защитный показатель ∫i2 dt есть значение временного инте-

грала от квадрата ударного прямого тока, появляющегося при аварии, при превышении которого вентиль разрушается. В соответствии с этим показателем, чем больше значение аварийного прямого тока через вентиль, тем меньше должна быть его длительность.

1.3.1.2. Вентили с полным управлением

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления.

Основными представителями вентилей с полным управлением яв-

ляются запираемые (двухоперационные) тиристоры ЗТ (в зарубежном обозначении GTO – Gate Turn Off) и силовые транзисторы (биполяр-

ные, полевые и комбинированные, так называемые биполярные транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые IGBT – Isolated Gate Bipolar Transistor).

1.3.1.2.1. Запираемые тиристоры

Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обыч-

ных (однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого, но мощного импульса тока обратной полярности, в цепь управляющего электрода тиристора. Большая величина этого импульса тока определяется тем, что коэффициент усиления по току при запирании тиристора невысок, обычно не более 4–5. Поэтому для запираемого тиристора важно не среднее значение прямого тока, а его максимальное (мгновенное) значение, по которому и маркируются запираемые тиристоры. Достигнутые предельные параметры запираемых тиристоров за рубежом: по прямому току до 2,5 кА, на напряжению – до 4 кВ, по частоте переключения – до 1 кГц, по коэффициенту усиления по току выключения – до 3–5. Условное обозначение GTOтиристора показано на рис. 1.3.4, а.

В последние годы GTO-тиристоры были модифицированы и создан новый тип прибора – тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT - Gate Commutated Thyristor или IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). В них за счет того, что весь ток включе-

26

ния/выключения коммутируется через управляющий электрод, почти

Рис. 1.3.4

на порядок сокращаются времена коммутации, а значит, и коммутационные потери. Это позволило сегодня уже создать IGCT на 3 кА, 3,5 кВ. При этом для этого тиристора в отличие от GTO-тиристора, не требуется применения снабберов – специальных внешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключении тиристора. В простейшем случае это конденсатор, ограничивающий скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре при его выключении. Последовательно с конденсатором включается небольшое активное сопротивление для ограничения тока конденсатора. Условное обозначение IGCT-тиристора показано на рис.1.3.4, б.

Продолжаются также разработки запираемых тиристоров с полевым управлением (без потребления тока) - МСТ (MOS Controlled Thyristor), которые в связи с простотой управления потеснят GTO-ти- ристоры при условии сопоставимости их предельных электрических параметров.

1.3.1.2.2. Транзисторы

Принципиальным отличием транзисторов от запираемых и обычных тиристоров, включаемых и выключаемых короткими импульсами управления, является то, что в них необходимо наличие сигнала управления на все время прохождения через транзистор прямого тока. Предельные электрические параметры транзистора, определяющие возможности его применения в устройствах силовой электроники, зависят от типа транзистора.

27

Биполярные транзисторы (BPT). Эти транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p и n-p-n типов, в которых имеется два p-n перехода: база – эмиттер и база – коллектор.

Биполярный транзистор позволяет за счет изменения тока базы p-n перехода база – эмиттер, смещенного в прямом направлении, управлять в десятки раз большим током, текущим через выходной переход база – коллектор, смещенный в обратном направлении. Так как обратное напряжение на коллекторном (выходном) переходе может быть также в десятки раз больше прямого напряжения на входном переходе база – эмиттер, то получается и большое усиление в транзисторе по напряжению, а значит, очень большое (в сотни и тысячи раз) усиление по мощности.

Условное обозначение и выходные ВАХ биполярного транзистора представлены в строке 1 табл. 1.3.1.

Эта возможность транзистора при работе в ключевом (как тиристор) режиме позволяет использовать его в устройствах силовой электроники для управления потоками энергии с целью их преобразования. Ключевой режим работы транзистора обеспечивается соответствующим управлением. В закрытом состоянии транзистора ток базы делается равным нулю (точка А на выходных характеристиках), т. е. ключ разомкнут; при этом пренебрегаем малым неуправляемым током коллектора на нижней ВАХ. В открытом состоянии транзистора ток базы устанавливается не меньше такого уровня iб′′′ , чтобы рабочая

точка транзистора с заданной внешней цепью величиной тока нагрузки iн была в положении Б, соответствующем наименьшему возможному напряжению на транзисторе при этом токе, для уменьшения потерь мощности в транзисторе.

Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен ампер с напряжением в сотни вольт и с максимальными частотами переключения при этом до единиц килогерц. Основные недостатки биполярных транзисторов связаны с заметными затратами мощности на управление (управление током по базе) и с недостаточным быстродействием, определяющим скорость перехода рабочей точки транзистора из положения А в положение Б и обратно.

Полевые транзисторы. В отличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителей тока – электронами и дырками, полевые транзисторы используют один (униполярный) тип носителей тока. Проводимость канала между истоком и стоком (определенные аналоги эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулирует-

28

ся с помощью электрического поля, прикладываемого с каналу в поперечном направлении с помощью третьего электрода – затвора (управляющего электрода). Канал может быть двух типов: n-типа или p- типа.

Условные обозначения полевых транзисторов с затвором в виде обратно смещенного p-n перехода и их выходные вольт-амперные характеристики (для канала n-типа) приведены в строке 2 табл. 1.3.1. Теперь уже управляющим параметром для выходных характеристик является напряжение на затворе (на входе транзистора), а не ток входа, как у биполярных транзисторов. Входная цепь полевого транзистора очень высокоомная и практически не потребляет ток, т. е. управление полевым транзистором происходит без затраты мощности. У полевого транзистора с каналом р-типа аналогичные свойства и характеристики, только у последних необходимо изменить полярности напряжений на стоке и затворе (относительно истока) на обратные.

Вторая разновидность полевых транзисторов – транзисторы с изолированным затвором. В этих транзисторах затвор отделен от канала тонкой диэлектрической пленкой и поэтому во входной цепи транзистора тока нет даже теоретически. Кроме того, такое отделение затвора от канала позволяет выполнять канал в двух вариантах: в виде встроенного (конструктивного) или в виде индуцированного (наведенного при протекании тока) канала р-типа или n-типа. Условные обозначения таких транзисторов и выходные характеристики для канала n-типа приведены в строке 3 табл. 1.3.1. За рубежом эти транзисторы называются MOSFET или FET транзисторами (Metall - Oxide - Semiconductor - Field - Effect Transistor), что соответствует нашему обозначению МОП (МДП) транзистор (металл – окисел – полупроводник), где металл означает электрод затвора, окисел означает диэлектрик, отделяющий затвор от полупроводникового канала между истоком и стоком.

Основные достоинства полевых транзисторов – отсутствие затрат мощности на управление и высокое быстродействие в результате переноса тока в них носителями одного знака (основными носителями), в отличие от биполярных транзисторов, где ток в средней части прибора (базе) в основном переносится медленными неосновными носителями. Но по предельным значениям выходного напряжения и тока полевые транзисторы заметно уступают биполярным, что определяет нишу их использования в низковольтных устройствах силовой электроники с

30