Силовая электроника шпорки. 1. Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития. Силовая электроника

• Название: 1. Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития. Силовая электроника
• Анкор: Силовая электроника шпорки.docx
• Дата: 17.02.2017
• Размер: 9.35 Mb.
• Имя файла: Силовая электроника шпорки.docx
• Тип: Документы; #2800
• страница: 4 из 9

34. Принципы построения современных силовых биполярных транзисторов, основные параметры.

Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (рис. 1., d).

IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.



Рис. 1. Условно-графические обозначения транзисторов: a) – биполярный транзистор п-р-п-типа; b) – MOSFET-транзистор с каналом п-типа; c) – SIT-транзистор с управляющим p-n-переходом; d) – IGBT-транзистор.

Коммутируемые напряжения силовых IGBT – транзисторов, так же как и биполярных, не более 1200 В, а предельные значения токов достигают нескольких сот ампер при частоте 20 кГц.

Приведённые выше характеристики обуславливают области применения различных типов силовых транзисторов в современных силовых электронных устройствах. Традиционно применялись биполярные транзисторы, основной недостаток которых заключается в потреблении значительного тока базы, что требовало мощного оконечного каскада управления и приводило к снижению КПД устройства в целом.

Затем были разработаны полевые транзисторы, более быстродействующие и потребляющие небольшие мощности из системы управления. Основным недостатком МОП – транзисторов являются большие потери мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ.

В последнее время лидирующее положение в области применения занимают IGBT – транзисторы, сочетающие в себе достоинства биполярных и полевых транзисторов.


25. Характеристики управляющего перехода тиристора и параметры цепи управления.



Вольт-амперная характеристика управляющего перехода тиристора: U_т - отпирающее постоянное напряжение управления; 

I_т - отпирающий постоянный ток управления; 

А1 - область негарантированного отпирания; 

А2 - область гарантированного отпирания

Параметры, характеризующие силовую цепь тиристора:

1.Напряжение переключения: постоянное - , импульсное -  (десятки – сотни вольт).

2.Напряжение в открытом состоянии  – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии ().

3.Обратное напряжение  – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи вольт).

4.Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии  – максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включение тиристора (единицы – сотни вольт).

5.Неотпирающее напряжение на управляющем электроде  – наибольшее напряжение, не вызывающее отпирание тиристора (доли вольт).

8.Запирающее напряжение на управляющем электроде  – напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки вольт).

7.Ток в открытом состоянии  – максимальное значение тока открытого тиристора (сотни миллиампер – сотни ампер).

8.Обратный ток  (доли миллиампер).

9.Отпирающий ток  – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки миллиампер).

10.Ток утечки  – это ток, протекающий через тиристор с разомкнутой цепью управления при прямом напряжении между анодом и катодом.

11.Ток удержания  – минимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управления, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.

12.Время включения  – это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения напряжения  тиристора до 10 % от начального значения при работе на активную нагрузку (единицы – десятки микросекунд).

13.Время выключения , называемое также временем восстановления управляющей способности тиристора. Это время от момента, когда прямой ток тиристора становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать прямое напряжение между анодом и катодом. Это время в основном определяется временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника (десятки - сотни микросекунд).


26. Зависимости параметров тиристора от температуры, система обозначений и маркировок тиристора.



С повышением температуры окружающей среды кроме увеличения обратного тока центрального p-n перехода тиристора происходит увеличение коэффициентов усиления по току α. Это приводит к увеличению анодного тока через прибор и еще большому росту α. Для тиристора это означает, что с повышением температуры включение его осуществляется при меньшем анодном напряжении, что снижает надежность работы прибора.

Обратный ток с повышением температуры увеличивается очень заметно – в десятки и даже сотни раз. При понижении температуры, уменьшается по абсолютной величине.

Требуемый для отпирания тиристора ток управляющего сигнала при нагревании тиристора уменьшается, а при охлаждении возрастает.

Удерживающий ток тиристора имеет отрицательный температурный коэффициент, т. е. с повышением температуры величина удерживающего тока снижается.

Выпускаемые с 1980 года тиристоры имеют классификацию и систему обозначений, установленные ГОСТ 20859.1-89. В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код, состоящий из девяти элементов.

Первый элемент (буква или буквы) обозначает вид прибора: Т — тиристор; ТЛ — лавинный тиристор; ТС — симметричный тиристор (симистор); ТО — оптотиристор; ТЗ — запираемый тиристор; ТБК — комбинированно выключаемый тиристор; ТД — тиристор-диод.

Второй элемент (буква) — подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч — высокочастотный (быстро включающийся) тиристор; Б — быстродействующий; И — импульсный.

Третий элемент (цифра от 1 до 9) обозначает порядковый номер модификации (разработки).

Четвертый элемент (цифра от 1 до 9) — классификационный размер корпуса прибора.

Пятый элемент (цифра от 0 до 5) — конструктивное исполнение.

Шестой элемент — число, равное значению максимально допустимого среднего тока.

Седьмой элемент — буква Х для приборов с обратной полярностью (основание корпуса — катод).

Восьмой элемент — число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии (сотни вольт).

Девятый элемент — группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров: (du_зс/dt). Аббревиатура «зс» означает запертое состояние.

Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ 20859.1—89:

ТЛ171-320-10-6 — тиристор лавинный первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конструктивное исполнение — штыревое с гибким катодным выводом, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А, повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс.

27. Базовая структура, обозначение, ВАХ и параметры симистора, области использования симистора.



Симиcтop (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC — triode for alternating current) — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ).

Структура.



Симистор имеет пятислойную структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.



Область применения симисторов гораздо обширней, чем может показаться на первый взгляд и она постоянно расширяется.  Включаете ли пылесос, или электродрель, кондиционер или кухонный комбайн, везде в этих устройствах применено переключающее электронное устройство, будь то электромеханическое реле, пускатель, контактор или симистор. В большинстве случаев в современных блоках управления или блоках пуска электродвигателей электронных устройств установлены именно симисторы.

Вот некоторые примеры электронных устройств, где применяются симисторы:

- кухонные приборы (комбайны, миксеры, блендеры, мясорубки, электрические чайники,  и т.д.),

- нагревательные устройства (плиты, печи, электротитаны, и т.д.),

- компрессоры холодильников и кондиционеров и тд.,

- бытовая техника (швейные, посудомоечные и стиральные машины, пылесосы, вентиляторы, фены),

- строительный электроинструмент (дрели, перфораторы, рубанки, лобзики и др.),

- в промышленности (блоки запуска электродвигателей, блоки управления осветительными приборами, диммерные выключатели и др.)

Основные параметры симисторов можно разделить на следующин группы: по напряжению, по току, по сопротивлению и мощности потерь в открытом состоянии и коммутационные.
29. Базовые структуры и принцип действия запираемого тиристора и тиристора с комбинированным выключением.

Запираемый тиристор - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическая четырёхслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 1 приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) выключаемого тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод K, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоёв с n- и р-проводимостями.



В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние. 

Фаза 1 - включение. Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом. Переходы j1 и j3 смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Всё напряжение прикладывается к среднему переходу j2, который смещается в обратном направлении. Около перехода j2 образуется зона, обеднённая носителями зарядов, получившая название- область объёмного заряда. Чтобы включить тиристор GTO, к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение положительной полярности U_G (вывод "+" к слою p). В результате по цепи протекает ток включения I_G.

Фаза 2 - проводящее состояние. В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе управления I_G, если ток в цепи анода превышает величину тока удержания. Однако на практике для того, чтобы все структуры выключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, всё же необходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурного режима. Таким образом, всё время включения и проводящего состояния система управления формирует импульс тока положительной полярности.

Фаза 3 - выключение. Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения U_T (см. рис. 3) к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности UGR. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведёт к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое p. Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой p из базового слоя n, и электронов, поступивших в этот же слой по управляющему электроду.

Фаза 4 - блокирующее состояние.В режиме блокирующего состояния к управляющему электроду и катоду остаётся приложенным напряжение отрицательной полярности U_GR от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток I_GR, состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящего через переход j3. Переход j3 смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2 и j3) смещены в обратном направлении и образованы две области пространственного заряда.



Графики изменения тока анода (iT) и управляющего электрода (iG)

Тиристор с комбинированным выключением имеет электрод, который может быть смещен в обратном направлении в процессе выключения для того чтобы способствовать удалению накопленного заряда из прибора.

Это по существу обычный тиристор, время выключения которого существенно снижается благодаря смещению в обратном направлении управляющего перехода П₃ в процессе запирания. Слой p₂ выполняется низкоомным, а катод гребенчатой структуры, что увеличивает эффект выключения в процессе запирания.

Особенности конструкции: одновременно принудительная коммутация и выключение по управляющему электроду.

Основные области применения: электрическая тяга и инверторы.


28. Структура, обозначение и параметры тиристорных оптронов, области их использования.

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Тиристорные оптопары наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т2-оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п.



Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Обобщенная структурная схема

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи Кi , определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов tнар(сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки Uразв и Rразв и проходной емкостью Cразв.

В структурной схеме на рис. 1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением "порогового" входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.



Рис 1. Обобщенная структурная схема оптрона

Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от "обычного" оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит "восстановление" информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного преобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Общая структурная схема рис. 1 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС.

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом Uразв п max; максимально допустимое напряжение между входом и выходом Uразв max; сопротивление гальванической развязки Rразв; проходная емкость Cразв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dUразв/dt)max. Важнейшим является параметр Uразв п max. Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.

Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем