Вентили с полным управлениемВентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления.
Основными вентилями с полным управлением мощных полупроводниковых преобразователей являются запираемые (двухоперационные) тиристоры, которые принято обозначать как GTO – Gate Turn Off и силовые транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые как IGBT –Isolated Gate Bipolar Transistor. Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обычных (однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого импульса тока обратной полярности в цепь управляющего электрода. Условное обозначение GTO - тиристора приведено на рис. 1, в. Следует отметить, что амплитуда этого импульса управления должна быть не менее одной трети импульса анодного тока, протекавшего через вентиль перед его выключением. Такая большая величина импульса тока цепи управления объясняется невысоким коэффициентом усиления то току при запирании тиристора. Поэтому для запираемых тиристоров важны не средние значения прямого тока, а максимальные (мгновенные) значения, по которым они маркируются. Достигнутые предельные параметры запираемых тиристоров: по прямому току – до 2,5 кА, по напряжению – до 6 кВ, по частоте переключения – до 2 – 3 кГц, по коэффициенту усиления по току выключения – до 3 – 5. В последние годы GTO- тиристоры были модифицированы и создан новый тип вентиля - тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT- Gate Commutated Thyristor или IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). В нем за счет того, что весь ток включения-выключения коммутируется через управляющий электрод, на порядок сокращается время коммутации и коммутационные потери. Это позволило создать IGCT - тиристор на 3 кА, 3,5 кА. Для него в отличие от GTO - тиристора не требуется снабберов – специальных внешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключении тиристора. В простейшем случае снаббер – это конденсатор, ограничивающий скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре при его выключении. Последовательно с конденсатором включается активное сопротивление для ограничения тока конденсатора.
Транзисторы. Принципиальным отличием транзисторовот обычных и запираемых тиристоров, включаемых и выключаемых короткими импульсами управления, является то, что для них наличие сигнала управления необходимо в течение всего времени прохождения через транзистор прямого тока. Предельные электрические параметры транзистора, определяющие возможности его применения в устройствах силовой электроники, зависят от типа транзистора. Биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p или p-n-р, в которых имеются два p-n перехода: база – эмиттер и база-коллектор. Условные обозначения биполярных транзисторов p-n-p типа приведено на рис. 1, г, а p-n-р типа приведено на рис. 1, д. Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен ампер, напряжением до сотен вольт и максимальными частотами переключения до единиц килогерц. Основные недостатки биполярных транзисторов связаны с заметными потерями мощности на управление (током по базе) и невысоким быстродействием. Полевые транзисторы. В отличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителей тока - электронами и дырками, полевые транзисторы используют один (униполярный) тип носителя тока. Проводимость канала между истоком и стоком (определенными аналогами эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулируется с помощью электрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении с помощью третьего электрода – затвора (управляющего электрода). Канал может быть двух типов: n – типа или p – типа. Условные обозначения полевого транзистора n -типа приведено на рис. 1, е, а полевого транзистора p –типа приведено на рис. 1, ж. Управляющим параметром для выходных характеристик у полевых транзисторов п – типа является напряжение на затворе (на входе транзистора), а не ток входа, как у биполярного транзисторов. Входная цепь полевого транзистора высокоомна. В динамике (при переключении транзистора) требуются импульсы тока в цепи управления для быстрого заряда (разряда) входной емкости затвор – сток транзистора. У полевого транзистора с каналом р- типа аналогичные свойства и характеристики, только у них при включении в схему изменяют полярности напряжения на стоке и затворе (относительно истока) на обратные. Вторая разновидность полевых транзисторов – это транзисторы с изолированным затвором (МДП – транзисторы). В отличие от полевых транзисторов с р-п – переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала в МДП – транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП – транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП – транзисторы (структура металл – диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO 2. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП – транзисторы (структура металл-окисел-полупроводник) Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012—1014). Принцип действия МДП – транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП – транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом. На рис. 1, з приведено условное изображение полевого транзистора МДП типа (с изолированным затвором), со встроенным каналом р -типа и выводом от подложки, на рис. 1, и - приведено условное изображение полевого транзистора МДП типа (с изолированным затвором) со встроенным каналом п – типа. На рис. 1, к приведено условное изображение полевого транзистора МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом р –типа и выводом от подложки, а на рис. 1, л приведено условное изображение полевого транзистор МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом п –типа; За рубежом эти транзисторы носят название MOSFET. Достоинство полевых транзисторов – малые затраты 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) переносится медленными (неосновными) носителями. Но по предельным значениям выходных напряжений и тока полевые транзисторы заметно уступают биполярным, что определяет их использование в низковольтных устройствах силовой электроники с высокими частотами процессов преобразования электрической энергии. Комбинированные транзисторы. В последнее время находят широкое применение комбинированный транзистор, объединяющий в себе полевой транзистор с изолированным затвором и биполярный транзистор (на выходе), названный биполярным транзистором с изолированными затворами -IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). Условное обозначение IGBT приведено на рис. 1, м. Он имеет высокое входное сопротивление. Параметры выходных напряжений и тока выше, чем у биполярного транзистора. В настоящее время промышленность выпускает IGBT на токи более 1200 А и напряжения до 6500В. Подобно полевым транзисторам IGBT имеют изолированный затвор и управление транзистором осуществляется изменением напряжения на затворе. Ток управления и мощность управления незначительны, Прямое падение напряжения существенно меньше, чем у МОП транзисторов и составляет около полутора вольт, По быстродействию IGBT уступают полевым транзисторам, но значительно превосходят биполярные. Основными преимуществами являются высокая рабочая частота и коэффициент полезного действия (КПД), а также устойчивость к перегрузкам, благодаря чему, IGBT успешно вытесняют из преобразовательной техники силовые биполярные транзисторы и запираемые тиристоры. В настоящее время IGBT широко применяются в: электроприводах переменного и постоянного тока; системах бесперебойного электропитания; статических компенсаторах реактивной мощности; преобразователях для сварки и индукционного нагрева; мощных статических источниках питания. Отметим, что для транзисторов всех рассмотренных типов общим является наличие на их входах сигналов управления на все время протекания тока в выходной цепи вентиля. В то же время для GTО необходимы импульсы управления противоположной полярности только в моменты отпирания и запирания тиристора.
Сравнительная оценка по допустимым диапазонам мощности и частоты силовых полупроводниковых преобразователей, выполненных на однооперационных тиристорах, запираемых тиристорах (GTO), полевых транзисторах (MOSFET) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) приведена в табл. 6.
Сравнение характеристик полностью управляемых вентилей Таблица 6
Вопросы для самоконтроля: 1 Какие условия необходимо выполнить для включения: диода; однооперационного тиристора; GTO; биполярного транзистора; IGBT; МОП – транзистора? 2 В чем заключается основное отличие между однооперационным тиристором и двухоперационным тиристором? 3 В чем заключаются основные отличия между биполярным и полевым транзисторами? 4 Сформулируйте определение комбинированного транзистора? 5 Какие предельные рабочие значения токов и напряжения имеют современные биполярные, IGBT, MOSFET – транзисторы, однооперационные и двухоперационные тиристоры?
|
