Силовые электронные устройства

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: виды и структуру силовых преобразователей, характеристики типовых энергетических преобразователей;

уметь: проводить классификацию источников электропитания; владеть: технологией работы типовых энергетических преобразователей (выпрямителя, стабилизатора, инвертора).

Виды силовых преобразователей и элементная база

Преобразователи электрической энергии служат для электропитания устройств, управления исполнительными механизмами, регулирования температуры объектов и составляют неотъемлемый атрибут электронных устройств. Силовой электронный преобразователь (СЭП) представляет собой устройство, которое с помощью управляющего (информационного) сигнала хпреобразует энергию W электрической сети или автономного источника в энергию другого вида W‘2, обладающую параметрами, которые задает управляющий сигнал х (рис. 19.1, а).

Вид электрической энергии (напряжения и тока) на входе и выходе преобразователя служит одним из главных классификационных признаков устройств: выпрямитель преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока (рис. 19.1, 6); стабилизатор преобразует энергию постоянного тока в напряжение и ток с заданными параметрами (рис. 19.1, в); регулятор изменяет по заданному закону значение переменного напряжения (рис. 19.1, г); инвертор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 19.1, д). Более сложные преобразователи, например для уп;

Рис. 19.1. Силовой прибор (а), выпрямитель (б), стабилизатор (в), регулятор (г), инвертор (д) равления электродвигателем, можно построить с использованием соединения приведенных типовых блоков. Для силовых (энергетических) преобразователей в качестве базового параметра принимают экономичность, характеризуемую коэффициентом полезного действия (КПД), который определяют как отношение полезной выходной мощности преобразователя к подводимой мощности.

Указанный параметр обусловил требования к структуре и элементной базе силовых преобразователей. По определению СЭП представляет собой устройство, преобразующее с минимальными потерями энергию промышленной электрической сети или автономного источника в энергию нагрузки с заданными параметрами. В качестве управляемых элементов современных преобразователей нашли применение различные полупроводниковые приборы, преимущественно транзисторы. Энергетические и массогабаритные показатели силового оборудования обеспечиваются выбором принципа действия, схемы, элементной базы и режимов работы преобразователей. Для уменьшения потерь энергии используют импульсный режим управления, обеспечивающий работу полупроводниковых приборов в экономичных режимах переключения.

Типичная структура импульсного преобразователя содержит блок силовых полупроводниковых переключателей (Силовые ключи), схему сглаживания (Фильтр) и устройство управления (УУ) (рис. 19.2).

Под действием сигнала у (уставки), задающего режим работы преобразователя, и сигналов обратных связей по напряжениям х_и и току Х-, нагрузки устройство управления вырабатывает сигналы gt…g_n, определяющие работу силовых ключей, которые осуществляют преобразование напряжений (7ц,…, сети электропитания в напряжения U₂i,…, U₂k с заданными параметрами в нагрузке.

Особенности структуры и режимов работы силовых полупроводниковых приборов в энергетических преобразователях связаны с получением высокого КПД. Это предусматривает работу приборов в режимах с близкими к предельно допустимым значениями токов и напряжений. Эксплуатация элементов при больших уров;

Рис. 19.2. Структура импульсного силовою преобразователя нях сигналов требует использования при их анализе сложных моделей, учитывающих нелинейные и тепловые эффекты.

При несомненном преимуществе импульсных преобразователей коммутация больших токов при высоких напряжениях с малыми временами переключения служит причиной образования мощных электромагнитных помех, распространяющихся по линиям связи и в окружающем пространстве. Это требует применения дополнительных мер по конструктивному и схемотехническому обеспечению электромагнитной совместимости электрических и электронных устройств.

Непрерывное совершенствование полупроводниковой технологии и повышение степени интеграции позволили создать энергетические модули, объединяющие силовые приборы и информационные системы управления, что значительно повысило надежность устройств. Вместе с тем надежность системы в целом, массогабаритные параметры преобразователей и их характеристики зависят как от типа полупроводниковых элементов, так и от параметров фильтрующих устройств. Весьма актуальной при проектировании силовых преобразователей является проблема совместной миниатюризации и поиск возможностей использования интегральной технологии для построения устройств. Минимизация уровня рассеиваемой мощности требует решения задач расчета тепловых режимов.

Основу элементной базы составляют полупроводниковые структуры и приборы (диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроны, варисторы). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы) применяются для задания режимов работы полупроводниковых приборов, а также в составе отдельных преобразователей.

Мощные силовые диоды, широко применяемые при преобразовании переменного напряжения в пульсирующий ток, как правило, имеют /?⁺-«-структуру и предназначены для работы в диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц. Основными параметрами силовых диодов являются максимально допустимое значение прямого тока — /,» _пр; допустимое значение прямого импульсного тока — /_{пр и}; прямое напряжение открытого диода — U_np при 1_{т пр}; максимально допустимое значение обратного напряжения — U₀б_р; максимальное значение обратного тока — 1_{т 0(}-_)р. Типовые значения прямого тока силовых диодов лежат в пределах от единицы до тысячи ампер при прямом напряжении около одного вольта, и они допускают обратные напряжения от сотен до тысячи вольт.

Силовые биполярные транзисторы используются преимущественно в ключевом режиме, характеризуемом быстрым переходом из состояния насыщения с большими токами в состояние отсечки с высоким обратным напряжением. Во время процессов переключения в активном режиме транзистор также работает при больших значениях напряжений и токов. Исходя из приведенных условий силовые транзисторы должны обеспечить большой ток коллектора /_к (от единицы до сотен ампер); малое напряжение насыщенного транзистора [/" (доли вольта); высокое пробивное напряжение [7_Кэтах (^от сотен до тысячи вольт); малое время переключения t_n (единицы миллисекунд).

Транзисторная структура, удовлетворяющая указанным условиям, имеет большие площади сечения базовой и коллекторной областей при малой ширине базы (рис. 19.3, а).

Рис. 193. Структуры силового (а) и составного (б) транзистора, эквивалентная схема (в) Силовой транзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером (э), подключением нагрузки к выводу коллектора (к) и управлением по выводу базы (б). Основным недостатком мощного транзистора является небольшое значение коэффициента усиления (Р < 10), что требует значительных токов управления по цепи базы. Для увеличения общего коэффициента усиления преобразователя применяют структуру составного транзистора (рис. 19.3, б). Из эквивалентной схемы (рис. 19.3, в) несложно получить соотношение Р = PiP₂, где Pj, Р2 — коэффициенты усиления тока транзисторов Т и Г₂

При выборе типа транзистора при предельно допустимом сочетании параметров следует учитывать особенности тепловых режимов, связанных с возможностью его саморазогрева за счет положительной электротенловой обратной связи, образующейся вследствие увеличения тока при повышении температуры.

Управляемые тиристоры представляют собой черырехслойную полупроводниковую структуру Р2~^п2~Р~^п с тремя взаимодействующими р-п-переходами и внешними выводами анода (А), катода (К) и управляющего электрода (У) (рис. 19.4, а).

Статические характеристики тиристора можно получить, условно представив его структуру разделенной на две части, кото;

Рис. 19.4. Структура (а), схема (6), характеристики (в) и обозначение (г)тиристора рым соответствуют транзисторы Т и Т₂ на эквивалентной схеме (рис. 19.4, б). При положительном напряжении на аноде относительно катода переходы п₂-р₂ и П-р смещены в прямом, а переход п₂-р — в обратном направлении, что определяет весьма малый ток закрытого перехода /_ко через прибор. Из эквивалентной схемы при работе транзисторов в активной области можно получить выражение для тока / = /,<()/[ 1 — (aj + 012)]. Вид характеристики I (U) зависит от приложенного напряжения U вследствие зависимости коэффициентов передачи транзисторов а! и а₂ от напряжений и токов переходов. При существенном увеличении напряжения наблюдается рост aj и аг, так что их сумма приближается к единичному значению (at + аг ~ 1). При напряжении U = С/_л происходит лавинообразный рост тока, отображаемый на характеристике участком /_л < / < /" с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 19.4, в). Увеличение тока снижает потенциальный барьер среднего перехода, и при значении /, все переходы оказываются смещенными в прямом направлении. При этом общее напряжение U" складывается из напряжений насыщения на открытых переходах, а ток определяется сопротивлением нагрузки. Изменение полярности приложенного напряжения практически дает значение обратного тока перехода I ~ /_к0 вплоть до электрического пробоя перехода при напряжении U = U_np. Такие характеристики имеет прибор с двумя электродами, называемый диодным тиристором или динистором. Выключение прибора можно осуществлять подачей обратного напряжения (противоположной полярности) или снижением тока до I < /_л

Уровень переключения тиристора можно изменять подачей тока через управляющий электрод У, контактирующий с областью Р (рис. 19.4, г). Ток управляющего электрода /_у1 складывается с током коллектора Т, что увеличивает ток через переход и снижает напряжение срабатывания. При напряжении U< U_n тиристор можно перевести в проводящее состояние с помощью импульса тока управления /_у. После снятия сигнала управления тиристор останется во включенном состоянии. Существует несколько структур тиристоров, обладающих различными свойствами и характеристиками. Среди них следует упомянуть симметричные тиристоры (симисторы) и запираемые тиристоры, которые включают и выключают с помощью импульсов тока управления различной полярности.

К недостаткам тиристоров следует отнести относительно низкое быстродействие, обусловленное большим временем выключения. Большинство групп тиристоров обладает ограниченной управляемостью, выражающейся в возможности отпирания по маломощной цени управления, а запирания — по силовой цепи.

Мощные полевые транзисторы, управляемые напряжением, нашли применение в силовых преобразователях. Наибольшее распространение получили МДП-транзисторы с индуцированным каналом я-типа (рис. 19.5, а).

Сопротивление проводящего канала пропорционально его длине, и для уменьшения прямого падения напряжения прибор изготавливают с коротким каналом, который обеспечивает высокую крутизну g_m проходной характеристики в линейном режиме (/_с = g_mU₃). Увеличение допустимого значения выходного тока (стока) достигается за счет параллельного соединения отдельных структур, что приводит к увеличению габаритов прибора, а также возрастанию значений межэлектродных емкостей, снижающих быстродействие и вызывающих рост потребления при переключении. Уменьшение площади, занимаемой прибором, достигается за счет использования V-образных структур с вертикальным расположением каналов (рис. 19.5, б).

МДП-транзистор обладает существенной зависимостью параметров от температуры. Рост температуры прибора приводит к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока, что обеспечива;

Рис. 19.5. Структуры МДП-транзистора с коротким (а) и вертикальными (б) каналами, датчиком тока (в) ет высокую теплостойкость устройства. Для обеспечения системы регулирования температуры и защиты приборов МДП-транзисторы снабжаются встроенными датчиками тока. Конструктивно одну из множества параллельных ячеек в структуре транзистора выделяют под датчик тока (ДТ) и снабжают ее дополнительным выводом (рис. 19.5, в).

Полевые транзисторы используются в силовых преобразователях для коммутации больших токов при не слишком высоких напряжениях. Повышение допустимого напряжения требует расширения стоковой области /7⁺-типа, что ведет к увеличению сопротивления открытого транзистора. Достоинствами прибора являются весьма малое потребление по цепи управления, очень большой коэффициент усиления тока и простота сопряжения с параметрами управляющих логических элементов.

Совершенствование технологии привело к созданию комбинированной структуры, содержащей силовой биполярный (БП) и управляющий КМДП-транзисторы (19.6, а).

В типичную структуру р⁺-пр⁺ силового биполярного транзистора введена область гС, которая совместно с областями п~, р⁺ и поликремниевым затвором образует управляющий нолевой транзистор с индуцированным каналом /7-типа. Ток стока МДП-транзистора является током базы силового транзистора Т (рис. 19.6, б). Управляемость улучшается за счет образовавшегося в структуре транзистора Г₂, который вместе с Т образует составной транзистор. В целом структура обеспечивает весьма большой коэффициент усиления тока благодаря соединению полевого транзистора с составным биполярным транзистором.

Прибор (рис. 19.6, в) с приведенной комбинированной структурой называется биполярным транзистором с изолированным затвором, или IGBT-прибором (Insulated Gate Bipolar Transistor). В нем объединены преимущества полевых транзисторов (совместимость по уровням управления с цифровыми логическими эле;

Рис. 19.6. Структура (а), схема (б) и обозначение (в) БТ с изолированным затвором ментами, очень большое входное сопротивление) с достоинствами силовых биполярных транзисторов (малое выходное сопротивление, большие значения коммутируемых токов при высоких напряжениях). Производятся IGBT-приборы с широкой номенклатурой параметров в виде отдельных изделий или в составе силовых блоков, оснащенных системами контроля и управления.