Элементная база силовых преобразователей энергии. Тиристоры (тема 2)

Полупроводниковые диоды.
Простейшими неуправляемыми силовыми ключами являются полупроводниковые диоды.
Внешний вид.
Структура. Условное обозначение. Вольт-амперная
характеристика.

Классификация силовых полупроводниковых диодов.
В зависимости от
материала
По внутренней струк-
туре
В зависимости от
рабочей частоты
По предельному
Напряжению
до 1 кВ до 10 кВ до 10 кВ

Транзисторы.
В силовой преобразовательной технике наибольшее распространение полу-чили:
- биполярные транзисторы;
- полевые транзисторы с изолированным затвором;
- комбинированные транзисторы.
Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих p–n-перехода.
Биполярный транзистор.
Внешний вид.
Структура.
Условное обозначение.

Вольт-амперная характеристика.
Различают три способа включения:
- с общей базой,
- общим эмиттером,
- общим коллектором.

Полевые транзисторы.
Внешний вид.
По принципу действия подразделяются на две группы:
- с управляющим p–n-переходом;
- с изолированным затвором.
Полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом в качестве силовых управляемых ключей широкого распространения не получили.
С изолированным затвором на сегодняшний день являются одними из самых распространённых.
Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET).
Структура. Условное обозначение.
с каналом n-типа с каналом p-типа

В отечественной литературе полевые транзисторы с изолированным затвором получили обозначение МОП-транзисторы(Металл–Окисел–Полупроводник) или МДП-транзисторы(Металл–Диэлектрик–Полупроводник). В зарубежной литературе их обозначают MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
Рассмотрим работу на примере транзистора с транзистор с каналом
n-типа проводимости.
Если между И и З подать управляющее напряжение(+) на З, (–) на И, то между затвором и исходным полупроводником возникает электрическое поле, которое будет выталкивать дырки из приповерхностной области, а притягивать туда электроны. В результате, когда в приповерхностной области концентрация электронов превысит концентрацию дырок, произойдёт инверсия проводимости и там возникнет канал n-типа проводимости, соединяющий области истока и стока. Чем больше напряжение между затвором и истоком, тем больше концентрация носителей в канале и больше его проводимость. Таким образом, отпирание транзистора и поддержание его в
открытом состоянии осуществляется электрическим полем, что отражено в его названии.
В монокристалле полупроводника например р-типа, созданы две области противоположного типа проводимости, называемые истоком (И) и стоком (С).

Семейство выходных(стоковых) характеристик MOSFET.
Уравнение нагрузочной прямой.
Схема включения с общим истоком в режиме усиления.

Комбинированные транзисторы
Достоинство биполярного транзистора – возможность пропускания больших токов. Недостаток – большой ток управления. Преимущество полевых транзисторов – малый ток управления. Компромиссное решение, позволяет объединить положительные качества биполярного и МДП-транзистора. Это решение представляет собой монолитную структуру называемую IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), т. е. Биполярный транзистор с изолированным затвором(БТИЗ). Отличие в структуре заключается в материале исходной подложки, в качестве которой используется полупроводниковая пластина с дырочной +p -электропроводностью.
СтруктураIGBT. Эквивалентная схема

Внешний вид. Условное обозначение.
Динамические свойства IGBT хуже, чем у MOSFET, но значительно лучше, чем у биполярных транзисторов.
Выходные характеристики IGBT

Тиристоры.
Назначение и классификация тиристоров.
Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя и более р-п-переходами, предназначенные для использования в качестве электрон­ных ключей.
Внешний вид.
Классификация тиристоров по способу управления.

Аббревиатура GTO- это gate turn-off thyristor.В переводе это значит тиристор, включаемый (выключаемый) управлением.
Аббревиатура GCT- это gate commutated thyristor.В переводе это значит тиристор, коммутируемый управлением.
Аббревиатура IGCT – integrated gate commutated thyristor.В переводе это значит интегрированный тиристор, коммутируемый управлением.
Аббревиатура MCT - это MOS - control thyristor. В переводе это значит тиристор, управляемый МОП.
Структура обычного тиристора. Эквивалентная схема.
Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трех­слойных структур: р - п - р и п -р-п, эквивалентных биполяр­ным транзисторам VT1 и VT2.

Включение тиристора проис­ходит при наличии между анодом и катодом положительного напряжения и подаче на его управляющий электрод импульса управления. Благодаря по­ложительной обратной связи между эквивалентными транзисторами VT1 и VT2 процесс включения тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда анодный ток становится равным значению, определенному сопротивлением нагрузки.
Если произошло включение тири­стора (протекает анодный ток), то прекращение тока управления не приводит к выключению схемы. Это связано с наличием внутренней положитель­ной обратной связи. Чтобы выключить тиристор нужно уменьшить ток в
цепи анода до малой величины или приложить к нему обратное напряже­ние. Таким образом, обычный тиристор - это прибор с неполной управляемостью.
ВАХ тиристора.

Графическое изображение тиристора.
Если вывод управляющего электрода сделан от промежуточной зоны n, то управляющий сигнал подают между катодом и управляющим электродом.
Схема управления тиристором . Форма сигнала управления.
Управляющие импульсы Еу подаются на управляющий электрод через резистор RУ, служащий для ограничения тока.

Разновидности тиристоров
Кроме обычных (асимметричных) тиристоров существуют их разновид­ности.
Тиристоры, которые могут пропускать и не пропускать ток в обоих на­правлениях, называются симметричными или симисторами.
Вольт-амперная характеристика симистора.
Симисторы выпол­няются на основе пятислойных структур. При подаче на управляющий
электрод сигнала одной полярности симисторы включаются как в прямом
направлении, так и в обратном. Они применяются для управления в цепях переменного тока.
Для регулирования переменного тока можно
применить встречно-параллельно включенные
тири­сторы VS1 и VS2. Вместо них можно включить
один симистор.

Сравнительная характеристика мощных силовых тиристоров по
предельно допустимым параметрам.