Лекции по электронике2. Е. Ю. Салита
 Скачать 10.66 Mb.
|
|
Е. Ю. САЛИТА ЭЛЕКТРОНИКА ОМСК 2008 Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения _________________ Е. Ю. Салита ЭЛЕКТРОНИКА Конспект лекций  О мск 2008УДК 621.382 (076.5) ББК 32.852 я73 С 16 Салита Е. Ю. Электроника: Конспект лекций / Е. Ю. Салита; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 157 с. Изложены теоретические сведения о свойствах элементарных частиц и закономерности их движения, понятия квантовой механики и теории излучения, электронной теории твердого тела и электропроводности полупроводников. Рассмотрены основы теории электронно-дырочного перехода (p-n-перехода), принципы действия, параметры, характеристики, конструкции и схемы включения различных полупроводниковых приборов силовой электроники. Конспект лекций предназначен для студентов очной и заочной форм обучения специальности 190401 (101800) – «Электроснабжение железных дорог». Может быть полезен при проведении занятий со слушателями Института повышения квалификации и переподготовки кадров (ИПКП). Библиогр.: 17 назв. Табл. 6. Рис. 23. _______________________ © Омский гос. университет путей сообщения, 2008 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение……………………………………………………..………………………7 1. Предмет электроники, ее роль в науке и технике ……………………………..9 2. Полупроводниковые приборы ……..…………………………………………..15 2.1. Электрические свойства полупроводниковых материалов ………………..15 2.2. Механизм электрической проводимости полупроводников ………………17 2.2.1. Собственная проводимость.………………………………………………..17 2.2.2. Примесная проводимость…………………………………………………..21 2.3. Электронно-дырочный переход (ЭДП)……………………………………...25 2.3.1. Технологии изготовления ЭДП ……………………………………………26 2.3.1.1. Сплавная технология……………………………………………………...26 2.3.1.2. Диффузионная технология ………………………………………………27 2.3.2. ЭДП при отсутствии внешнего напряжения………………………………27 2.3.3. ЭДП при прямом напряжении……………………………………………...30 2.3.4. ЭДП при обратном напряжении…………………………………………...31 2.3.4.1. Механизм установления обратного тока при включении обратного напряжения …………………………………………………………………32 3. Полупроводниковые диоды ……………………………………………………33 3.1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода ..……………………………33 3.2. Параметры полупроводниковых диодов ……………………………………34 3.2.1. Предельный ток……………………………………………………………..36 3.2.2. Перегрузочная способность ………………………………………………..37 3.2.3. Номинальное напряжение …………………………………………………39 3.2.4. Повторяющийся импульсный обратный ток……………………………....40 3.2.5. Прямое падение напряжения (прямое импульсное напряжение)………...41 3.2.6. Статическое и динамическое сопротивления ………………………………42 3.2.7. Температурный режим ……………………………………………………...43 3.2.8. Емкость ЭДП и частотные характеристики ……………………………….45 4. Виды пробоев ЭДП ….………………………………………………………......47 4.1. Зеннеровский пробой ……………………………………………………….....47 4.2. Лавинный пробой………………………………………………………………47 4.3. Тепловой пробой……………………………………………………………....48 4.4. Поверхностный пробой ……………………………………………………….48 5. Основные типы полупроводниковых диодов ………………………………..49 5.1. Устройство точечных диодов………………………………………………...50 5.2. Устройство плоскостных диодов………………………………………….....50 5.3. Условное обозначение силовых диодов ………………………………….....51 5.4. Условное обозначение маломощных диодов………………………………..52 5.5. Конструкция штыревых силовых диодов……………………………………53 5.6. Лавинные диоды…………………………………………………………….....54 5.7. Конструкции таблеточных диодов …………………………………………..56 5.8. Стабилитрон …………………………………………………………………..57 5.9. Туннельный диод ……………………………………………………………..62 5.10. Обращенный диод……………………………………………………………64 5.11. Варикап……………………………………………………………………….65 5.12. Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды……….....66 6. Транзисторы……………………………………………………………………..67 6.1. Распределение токов в структуре транзистора…………………………......73 6.2. Схемы включения транзисторов. Статические ВАХ……………………….74 6.3. Схема включения транзистора с общей базой………………………………76 6.4. Схема включения транзистора с общим эмиттером………………….…….78 6.5. Схема включения транзистора с общим коллектором………………………81 6.6. Схема включения транзистора как усилителя электрических сигналов………………………………………………………………………..82 6.6.1. Схема включения транзистора с общей базой …………………………...82 6.6.2. Схема включения транзистора с общим эмиттером…………………….83 6.6.3. Схема включения транзистора с общим коллектором ………………….83 6.7. Краткие характеристики схем включения транзистора. Области применения схем ………………………………………………………….85 6.7.1. Схема включения транзистора с общей базой ………………………….85 6.7.2. Схема включения транзистора с общим эмиттером ……………………..85 6.7.3. Схема включения транзистора с общим коллектором …………………..85 6.8. Режимы работы транзистора ………………………………………………..86 6.9. Работа транзистора в ключевом режиме ………………………………….90 6.10. Малосигнальные и собственные параметры транзисторов ………………92 6.11. Силовые транзисторные модули …………………………………………..95 6.12. Параметры биполярных транзисторов……………………………………...96 6.13. Классификация и система обозначений (маркировка) транзисторов..…...96 6.14. Полевые транзисторы…………………………………………………………98 6.14.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом……………………99 6.14.2 Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом……………………………………………103 6.14.3. Основные параметры полевого транзистора с управляющим p-n-переходом …...……………………………………..105 6.14.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором…...………………...106 6.14.4.1 МДП-транзисторы со встроенным каналом ..…………………………106 6.14.4.2 МДП-транзистор с индуцированным каналом ….……………………108 6.14.5 Достоинства и недостатки полевых транзисторов ...…….……………..109 6.15. Технологии изготовления транзисторов ..………….……………………..110 6.16. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы) ……………………………………………………….113 6.17. Силовые модули на основе IGBT-транзисторов..………………………..115 7. Тиристоры..…………………………………………………………………….116 7.1. Назначение и классификация……………………………………………….116 7.2. Диодные и триодные тиристоры..………………………………………….118 7.3. Переходные процессы при включении и выключении тиристора..……..122 7.3.1. Переходные процессы при включении тиристора...……………………122 7.3.2 Переходные процессы при выключении тиристора..…………………....124 7.4. Основные параметры тиристоров..…………………………………………126 7.5. Маркировка силовых тиристоров...…………………………………………127 7.6. Лавинные тиристоры…………………………………………………………128 7.7. Симметричные тиристоры (симисторы)..…………………………………..130 7.8. Полностью управляемые тиристоры ..………………………………………1317.9. Специальные типы тиристоров…...………………………………………..134 7.9.1. Оптотиристоры ……………………………………………………………134 7.9.2. Тиристоры с улучшенными динамическими свойствами ………………134 7.9.2.1. Тиристоры ТД (динамические) …………………………………………135 7.9.2.2. Тиристоры ТБ (быстродействующие) ……………………………….....135 7.9.2.3. Тиристоры ТЧ (частотные) …………………………………………......135 7.9.3 Тиристор, проводящий в обратном направлении (асимметричный)……136 7.9.4 Тиристор с обратной проводимостью (тиристор-диод)…………………136 7.9.5 Комбинированно-выключаемый тиристор (КВК)………………………..136 7.9.6 Полевой тиристор…………………………………………………………..136 7.10. Конструкции тиристоров………………………………………………….137 8. Групповое соединение полупроводниковых приборов……………………142 8.1 Неравномерности распределения нагрузки при групповом соединении…………………………………………………………………...142 8.2. Параллельное соединение полупроводниковых приборов ……………...143 8.3. Последовательное соединение полупроводниковых приборов…………145 8.4. Параллельно-последовательное соединение полупроводниковых приборов…………………………………………………………………......147 9. Охлаждение силовых полупроводниковых приборов………………………149 9.1. Способы охлаждения полупроводниковых приборов…………………....149 9.2. Воздушное естественное и принудительное охлаждение………………...150 9.3. Испарительное охлаждение с промежуточным теплоносителем………...152 9.4. Сравнение систем охлаждения……………………………………………..155 Библиографический список……………………………………………………..156 ВВЕДЕНИЕ Технический прогресс современной техники базируется на применении электронных устройств. В системах электроснабжения и электроподвижного состава железнодорожного транспорта эксплуатируются преобразователи электроэнергии, устройства автоматики, телемеханики, релейной защиты и вычислительной техники, создаваемые на основе электронных полупроводниковых приборов. Уровень их эксплуатации зависит от квалификации инженерно-технических работников. Из этого следует, что необходимым условием подготовки инженерных кадров электрических железных дорог является изучение свойств полупроводниковых приборов, их характеристик, конструкции, принципа действия и условий эксплуатации. В настоящем конспекте лекций изложены теоретические сведения о свойствах элементарных частиц и закономерности их движения, понятия квантовой механики и теории излучения, электронной теории твердого тела и электропроводности полупроводников. Рассмотрены основы теории электронно-дырочного перехода (p-n-перехода), принципы действия, параметры, характеристики, конструкции и схемы включения различных полупроводниковых приборов силовой электроники. К их числу относятся как традиционно и достаточно давно применяемые полупроводниковые приборы, такие как диоды, биполярные и полевые транзисторы, обычные (незапираемые) тиристоры, так и недавно появившиеся изделия силовой электроники, такие, как запираемые тиристоры (запираемый двухоперационный тиристор GTO – Gate Turn-Off Thyristor, запираемый тиристор с форсированным выключением GCT – Gate Commutated Turn-Off Thyristor и запираемый тиристор с блоком формирования импульсов управления в единой конфигурации IGCT – Integrated Gate Commutated Turn-Off Thyristor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor), управляемые структурой металл-оксид-полупроводник (металл-диэлектрик-полупроводник). С прогрессом в электронике теснейшим образом связано развитие рельсовых и безрельсовых транспортных средств. Современная полупроводниковая электроника обеспечивает любое преобразование электроэнергии, позволяет перейти к гибким технологическим процессам в системе тягового электроснабжения и на электроподвижном составе. Применение современных устройств электронной техники способствует созданию энергоэкономичных систем электрической тяги с оптимальным электропотреблением при обеспечении заданной пропускной и провозной способности на электрифицированных участках магистральных железных дорог, а также на метрополитене и городском электротранспорте. 1. Предмет электроники, ее роль в науке и технике Одной из характерных особенностей развития науки и техники нашего века является развитие электроники. Без электронных устройств ныне не может существовать ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи. Усиленное развитие и применение электроники стимулируется самой жизнью. Достижения электроники влияют не только на экономическое развитие общества, но и на социальные вопросы, распределение рабочей силы, образование. Электронные устройства все шире применяют в быту, в промышленности и на транспорте. Проблемы электроники обсуждаются на различных научных конференциях, конгрессах и симпозиумах. Одним из наиболее значительных подобных мероприятий является международный симпозиум «Eltrans», который проводится в России один раз в два года, начиная с 2001 года. Симпозиум проводят ОАО «РЖД», Академия транспорта РФ, Октябрьская железная дорога – филиал ОАО «РЖД» и Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС). В работе симпозиума принимают участие руководители и специалисты ОАО «РЖД», ученые РАН, специалисты научно-исследовательских и проектных организаций, ученые и преподаватели транспортных вузов РФ, стран СНГ и других государств, фирмы-разработчики электроподвижного состава и электрооборудования энергетических комплексов, средств промышленной автоматизации, строительно-монтажных работ тягового электроснабжения; руководители и специалисты РАО ЕЭС России. Практически на всех состоявшихся симпозиумах при работе таких секций как «Обновление и усиление устройств электроснабжения», «Новая техника и технологии в электроснабжении», «Электроподвижной состав нового поколения» рассматривались вопросы совершенствования электронных устройств (в том числе с использованием новой элементной базы), применяемых в системах тягового электроснабжения. Электроника – отрасль науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле (полупроводниковые приборы), в вакууме (электронные приборы) и газе (ионные приборы). Главное место среди них в настоящее время занимают полупроводниковые приборы. Электроника подразделяется на два крупных научных направления (рис. 1.1): 1) радиоэлектроника (РЭ) – применение электроники в радиотехнике и телевидении; 2) промышленная электроника (ПЭ) – применение электроники на транспорте, в промышленности и электроэнергетике. Промышленная электроника в свою очередь подразделяется на информационную и энергетическую. К информационной электронике относятся электронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами. Кроме того, это и устройства для передачи, обработки и отображения информации (усилители сигналов, генераторы напряжений, логические схемы, счетчики, индикаторы, дисплеи ЭВМ и т.д.). Энергетическая электроника (преобразовательная техника) занимается преобразованием одного вида электрической энергии в другой (электропривод, электрическая тяга, электроэнергетика, электротермия, электротехнологии и т.д.).  Рис. 1.1. Научные направления электроники Радиоэлектроника и информационная электроника представляют собой слаботочную электронику, энергетическая электроника – силовую. Основное направление в учебном процессе подготовки студентов по специальности 190401 (101800) «Электроснабжение железных дорог» занимает энергетическая электроника. В настоящее время почти вся электрическая энергия вырабатывается и передается к месту потребления на переменном токе. Это объясняется тем, что источник электрической энергии переменного тока – синхронный генератор прост как по своему устройству, так и с точки зрения эксплуатации. Кроме того, переменный ток позволяет осуществлять трансформацию электрической энергии, а, следовательно, и более экономично передавать ее на большие расстояния. Однако ряд приемников электрической энергии нуждается в постоянном токе. Для одних приемников постоянный ток является единственно приемлемым видом тока (электрохимия, рентгенотехника), для других – видом тока, обеспечивающим ряд технических или экономических преимуществ электрической установки (электрический транспорт, грузоподъемные устройства, релейная защита, автоматика и т.д.). В настоящее время примерно 40 вырабатываемой электрической энергии преобразуется в постоянный ток. В частности на подвижном составе магистральных электрических железных дорог, городского электрического транспорта (трамвай, троллейбус), метрополитена, карьерного (рудничного) и шахтного транспорта в основном устанавливаются электродвигатели постоянного тока. В связи с этим в системе источник – приемник электрической энергии должен быть преобразователь переменного тока в постоянный. Электрификация железных дорог в России осуществлялась на постоянном токе (на 01.01.2007 электрифицировано 43,05 % от эксплуатационной длины электрифицированных участков, что составляет 18,47 тыс. км) и на переменном токе (на 01.01.2007 электрифицировано 24,43 тыс. км). Эксплуатационная длина электрифицированных участков при этом составляет 42,9 тыс. км. Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электрической энергии вызывает необходимость ее преобразовывать. Устройства, служащие для преобразования электрической энергии называются преобразователями. Основными видами преобразования электрической энергии является: а) выпрямление – преобразование переменного тока в постоянный; б) инвертирование – преобразование постоянного тока в переменный; в) преобразование частоты. Существует так же ряд других менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз, преобразователи постоянного тока (конверторы) и др. В отдельных случаях используются комбинации нескольких видов преобразования. Преобразование электрической энергии может производиться различными способами. Наиболее широкое применение из них нашли: 1) электромашинные (вращающиеся) преобразователи; 2) статические преобразователи, использующие нелинейные элементы с вольт-амперной характеристикой ключевого (релейного) типа, обладающие малыми потерями энергии. Принцип первого вида заключается в том, что электроэнергия одного вида подается на электрический двигатель, являющийся приводом генератора, который вырабатывает новый вид электроэнергии. Этому способу присущи недостатки: – инерционность; – наличие подвижных частей; – большие габариты, вес, шум, вибрация; – низкий КПД, высокая стоимость и т.д. В настоящее время уделяется большое внимание созданию способов статического преобразования электроэнергии. Большинство разработок основывается на использовании нелинейных элементов электронной техники. Основными элементами статических преобразователей являются неуправляемые и управляемые электронные приборы с односторонней проводимостью – электрические вентили. В зависимости от проводящей ток среды, по способу осуществления вентильной (односторонней) проводимости и по свойствам приборов, электрические вентили можно классифицировать следующим образом (рис. 1.2). Электровакуумные приборы (ЭВП) называют электронными лампами, а газоразрядные – вследствие участия в рабочем процессе ионов газа или паров ртути – ионными. Исторически первыми были изобретены электровакуумные приборы (двухэлектродные – в 1904 г., трехэлектродные – в 1907 г.). Отличительная особенность электровакуумных вентилей – разрежение в баллоне вентиля до значений 10-6-10-7 мм рт.ст. При таком разрежении электроны перемещаются практически без столкновений. Достоинства ЭВП: позволяют выпрямлять переменный ток в постоянный и преобразовывать постоянный в переменный (низкой или высокой частоты). Недостатки ЭВП: небольшая мощность, малые токи вследствие ограниченной эмиссии электронов с катодов (меньше или равны 1А), большое внутреннее сопротивление, необходимость поддержания высокого вакуума.  Рис. 1.2. Классификация электрических вентилей Газоразрядные приборы появились в 20-х годах прошлого столетия, в 30-х годах большое распространение получили ионные вентили с жидким ртутным катодом. Применялись до 60-х годов в мощных выпрямителях трехфазного и однофазного тока промышленной частоты. Огромную роль сыграли при электрификации железных дорог (в составе преобразователей тяговых подстанций и электроподвижного состава). Достоинства газоразрядных приборов: – токи до нескольких сотен (тысяч) ампер; – напряжение до 15 кВ. Недостатки газоразрядных приборов: – необходимость поддержания высокого вакуума в корпусе (0,1-0,5 мм рт.ст.); – необходимость поддержания постоянной температуры корпуса tк = 37-40 С посредством жидкостного охлаждения для сохранения оптимальной плотности ртутного пара; – большие потери мощности и снижение КПД преобразователя (падение напряжения в ртутном вентиле составляет около 20 В). Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов прошлого столетия, когда появились новые полупроводниковые приборы – диоды и тиристоры. Эти приборы, разработанные на основе кремния, имеют ряд преимуществ перед электровакуумными и газоразрядными. Достоинства полупроводниковых приборов: – малые габариты и масса, т.е. компактны при равных токах; – падение напряжения мало зависит от тока (0,5-1,8 В), что обусловливает высокий КПД; – возможность воздушного охлаждения; – быстродействие и повышенная надежность в работе при широком температурном диапазоне (от – 60 до + 140 С). Недостатки полупроводниковых приборов: – малая перегрузочная способность; – высокая чувствительность к перенапряжениям. С начала 80-х годов прошлого столетия, благодаря интенсивному развитию электроники, начинается создание нового поколения изделий силовой электроники:
2) МОП(МДП)-транзисторы: полевые (MOS – Metall Oxide Semiconductor Transistor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor), управляемые структурой металл-оксид-полупроводник (металл-диэлектрик-полупроводник). Среди ведущих фирм-производителей этих приборов можно отметить такие, как «Hitachy», «Motorola», «Siemens», «Westinghouse corp.», ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). Достоинства МОП(МДП)-приборов: – обеспечение коммутации токов до 2500 А; – напряжение до 3,5 кВ; – быстродействие (у IGBT-транзистора tперекл= 200-400 нс); – работа на частотах до 100 кГц. МОП(МДП)-приборы вытесняют запираемые тиристоры в устройствах мощностью до 1 МВт и напряжением до 3,5 кВ. Для традиционных тиристоров (обычного незапираемого p-n-p-n-переключателя SCR – Silicon Controlled Rectifier) и запираемых (GTO-, GCT- и IGCT-тиристоров) остается диапазон мощностей свыше 1 МВт и напряжением коммутации свыше 4,5 кВ. Ведутся работы по созданию запираемых тиристоров с полевым управлением MCT (MOS Controlled Thyristor). Если работы по созданию этих тиристоров завершатся успешно, то эра классических силовых полупроводниковых приборов – тиристоров и биполярных транзисторов завершится. Наиболее перспективные приборы силовой электроники для схем преобразователей – IGBT и MCT. Несмотря на некоторое увлечение новыми материалами для приборов силовой электроники (арсенид галлия, карбид кремния и др.), основным материалом в ближайшее десятилетие остается кремний. 2. Полупроводниковые приборы |