Розділ 1. Елементна база сучасних перетворювачів та

Перспективи її розвитку

В основу роботи будь-якого перетворювача, незалежно від типу та призначення, закладено цілком визначену властивість силових напівпровідникових приладів. Мається на увазі їхня здатність перемикатись під впливом того чи іншого фактору в залежності від властивостей самого приладу.

Окрім напівпровідникових приладів в перетворювачах широко використовуються конденсатори та обмоткові пристрої: котушки індуктивностей та трансформатори з особливими характеристиками, експлуатаційні вимоги до яких дещо відрізняються від вимог до типових елементів, що експлуатуються в промислових мережах.

Для потреб силової електроніки розроблені силові напівпровідникові прилади. До них слід відносити прилади з максимально допустимим середнім або діючим значенням струму вище десяти ампер та здатних пропускати імпульси струму косинусоїдної форми з амплітудою вище ста ампер. Силові напівпровідникові прилади можна класифікувати за різними ознаками: принципом дії, ступенем керованості, призначенням, застосуванням та інше.

За принципом дії силові напівпровідникові прилади розділяються на три основні типи: діоди,тиристори та транзистори. В свою чергу, основні типи напівпровідникових приладів розділяють на групи, що відрізняються конструктивним та технологічним виконанням, характером фізичних процесів, виглядом вольт-амперної характеристики та за іншими ознаками. Наприклад, серед тиристорів можна виділити повністю керовані тиристори, фототиристори, симетричні тиристори, тиристорні оптопари та інші.

Серед транзисторів – біполярні, МОН-тразистори,гібридні транзистори, статичні індукційні транзистори та інші.

Всередині кожної групи прилади можуть класифікуватись за призначенням (низьковольтні, високовольтні, частотні, імпульсні та інші)

В силовій електроніці важливо кваліфікувати прилади за ступенем керованості. Ознакою керованості в даному випадку є здатність приладу перемикатись із провідного стану в закритий та навпаки. За ступенем керованості слід розрізняти напівкеровані та повністю керовані прилади. Перші можуть тільки вмикатись внаслідок подачі на їх керуючі електроди малопотужного сигналу (імпульсу струму або напруги).Перехід в закритий стан в таких приладах здійснюється шляхом зменшення їх анодного струму до нуля. Прикладом такого приладу може слугувати звичайний тиристор (SCR).

Другій групі приладів властиво вмикатись і вимикатись при подачі на керуючі електроди відповідних малопотужних вмикаючих та вимикаючих імпульсів. Прикладом можуть слугувати транзистори та повністю керовані тиристори (GTO).

Силові прилади розділяють також всередині кожної групи за основними експлуатаційними параметрами, наприклад за напругою або струмом, а також за імпульсним значенням прямого спаду напруги, динамічними властивостями та іншими.

Характерною особливістю роботи силових напівпровідникових приладів є їх дискретність. Тобто вони можуть займати лише один стійкий стан: відкритий або закритий і тривалий час знаходитись в цьому стані. Жоден проміжний стан при роботі таких приладів неможливий. Таким чином кожен з силових напівпровідникових приладів працює в режимі електричного ключа. Якщо врахувати рівень прямих струмів та напруг закриття силових перетворювачів, то спадом напруги на відкритому ключі та зворотним струмом у його вимкненому стані можна знехтувати. Тобто напівпровідниковий прилад можна розглядати, як ідеальний ключ з характеристикою, наведеною на рис. 1.1.

Рисунок.1.1.

Вольт-амперна характеристика ідеального ключа

 

Характеристика реальних приладів, звісно ж, відрізняються від ідеальної, але у більшості випадків аналіз процесів в перетворювачах та розрахунок його параметрів доцільно виконувати, виходячи з ідеальної моделі напівпровідникового ключа. Такий підхід дає можливість суттєво спростити розрахунки, зберігаючи при цьому їх високу точність.

Силові діоди

Принцип дії напівпровідникового діода оснований на використанні властивостей p-n – переходу, який виникає на границі розподілу двох шарів з різним типом провідності, що штучно утворюються в напівпровідниковому монокристалі.

На рис.1.2 наведена ВАХ діода, а також показані його структура та символ позначення на електричних схемах. Характеристика має дві вітки –пряму(А), яка відповідає відкритому стану діода та зворотну (В), яка визначає особливості діода в закритому стані.

Пряма вітка характерна малим рівнем напруги та значними струмами, а зворотна - малим рівнем струму та великим значенням напруги. Зворотна вітка має три характерні ділянки. На ділянці 1 струм Iо через зворотно зміщений p-n - перехід діода майже не залежить від напруги і має три складові:

- тепловий струм витоку Iко зворотно зміщеного p-n-переходу, рівень якого залежить від концентрації основних носіїв;

- струм генерації Iген, зумовлений кінцевою товщиною p-n-переходу;

- струм витоку Iвит, що зумовлений поверхневим забрудненням кристалу, а також порушенням цілісності його кристалічної решітки.

 

Рис.1.2 ВАХ діода та його структурна схема і електричне позначення

 

До певного рівня зворотної напруги сумарний струм витоку Iо вимкнутого діода є незначним і не впливає на його температурний режим. Якщо зворотна напруга досягає значення Uпроб, струм Iо, завдяки лавинному ефекту, різко зростає і діод переходить в режим лавинного пробою (ділянка 2 на зворотній вітці ВАХ діода). Якщо не знизити рівень зворотної напруги, то такий пробій розвивається в тепловий і діод руйнується (ділянка 3 на зворотній вітці ВАХ).

Існують силові діоди, в яких шляхом певних технологічних прийомів забезпечується зменшення втрат на ділянці лавинного пробою завдяки чому прилад може певний час працювати в режимі лавинного пробою.Такі діоди називаються лавинними і використовуються як в якості звичайних діодів, так і в якості обмежувачів напруги.

З наведеної ВАХ діоду слідують його основні властивості. Тобто діод це електронний ключ, стан якого визначаться полярністю напруги зовнішнього джерела живлення. Якщо потенціал анода стає рівним або вищим за потенціал катода, то діод вмикається і струм через нього обмежується тільки опором в його зовнішньому анодному колі. При цьому на діоді з’являється незначний спад напруги, зумовлений кінцевим опором напівпровідникового кристалу, а також омічним опором контактів між кристалом та анодним і катодним виводами. Для зниження прямих втрат на діоді, величина його сумарного опору у відкритому стані повинна бути якомога меншою.

Якщо полярність напруги між анодом та катодом змінити на протилежну, то p-n-перехід зміститься в зворотному напрямку і діод вимкнеться. Струм в його анодному колі спадає майже до нуля і відбувається безіскрове перемикання діода з відкритого в закритий стан. Тобто діод за електричними властивостями є приладом з односторонньою провідністю і використовується у випрямлячах для забезпечення однонаправленого протікання струму в навантаженні. Одностороння провідність діода використовується також і в інших перетворювальних пристроях,наприклад в автономних інверторах напруги для забезпечення обміну реактивною потужністю між навантаженням та джерелом живлення. Така потреба виникає внаслідок того, що реактивна складова струму протікає в зворотному напрямі відносно до прямого струму перемикаючого приладу інвертора. Приклади шунтування зворотним діодом різних за типом керованих приладів наведені на рис. 1.3 а,б. В таких схемах діод виконує також і захисну функцію, захищаючи транзистор або тиристор від зворотної перенапруги. Слід зазначити, що в сучасних перетворювачах використовуються силові модулі, в яких зворотний діод та керований напівпровідниковий ключ виготовляються за інтегральною технологією і структурно невіддільні один від одного. Тобто в одному кристалі виготовляється декілька різних за властивостями приладів, які в процесі їх виготовлення технологічного з’єднуються за певною схемою. Такий набір приладів, об’єднаних в одному напівпровідниковому кристалі і розрахований на велику потужність носить назву силового модуля. Принципова схема одного з існуючих типів силових модулів наведена на рис. 1.3,в.

а) б) в)

Рисунок 1.3. Схеми вмикання діода реактивного струму та силового модуля

За принципом дії силовий діод нічим не відрізняється від випрямних діодів малої та середньої потужності. Основною відмінністю між ними є площа p-n- переходу. Тобто розміри напівпровідникового кристалу силового діода значно більші порівняно з розмірами кристалу діодів малої та середньої потужності. Ця відмінність відображена в маркуванні силового діода, яке складається з літерно–цифрового коду і відображає як експлуатаційні параметри приладу, так і конструктивні особливості його корпусу.

Приклад маркування силового діода, за діючим на даний час стандартом, наводиться нижче.

 

Усіх типів корпусів налічується п’ять:

1. Стержневий з гнучким виводом;

2. Стержневий з жорстким виводом;

3. Таблеточний;

4. Під запресовку або автотракторний;

5. Під фланець.

 

Діоди перших двох типів корпусів закручуються в охолоджувач за допомогою стержня з різьбою. В третьому випадку діод затискається між двома пластинами охолоджувача. В четвертому випадку запресовується в охолоджувальну пластину, яка одночасно є і контактом. П’ятий тип корпусу забезпечує кріплення діода до охолоджувача за допомогою фланця на його корпусі.

За своїми властивостями силові діоди поділяються на низькочастотні, які можуть експлуатуватись в мережах з частотою до 500 Гц, лавинні, які маркуються двома літерами ДЛ та частотні, в яких нормується час їхнього вимкнення і які здатні перемикатись з частотою до 200 кГц. Такі діоди маркуються додатковою літерою Ч.

Основними параметрами, що характеризують експлуатаційні можливості діодів є гранично допустиме середнє значення прямого анодного струму та амплітудне значення імпульсної зворотної напруги яка повторюється. На даний час максимально досягнуті параметри силового діода складають 10кВ амплітудного значення зворотної напруги та 10кА середнього значення прямого анодного струму.

 

Силові тиристори

Тиристором називається напівпровідниковий прилад з чотиришаровою структурою, що утворює три взаємодіючих між собою p-n-переходи, на вольт-амперній характеристиці якого є ділянка з від’ємним диференційним опором і який тривалий час може знаходитись в одному із стійких станів: відкритому або закритому. На рис 1.4 наведена структура приладу, його вольт-амперна характеристика та символ позначення на електричних схемах. Такий тиристор має два електроди – анод та катод і називається динистором. За електричними властивостями він подібний до діода, але може залишатися у закритому стані за умови додатного потенціалу на його аноді. Динистор вмикається тільки в тому випадку, коли пряма анодна напруга на ньому досягає певного рівня. Тобто цей прилад може використовуватись як обмежувач напруги. Інколи його використовують в низькочастотних генераторах релаксаційного типу.

Рис. 1.4

 

Більш досконалим є триністор, або звичайний тиристор. Його англійська назва читається як Silicon controlled rectifier (SCR), тобто кремнієвий керований діод. Він має три електроди, два з яких є звичайними анодом та катодом, а третій – керуючим електродом. Наявність останнього дозволяє вмикати прилад при прямих анодних напругах, що значно нижчі порівняно з Uвмик. ВАХ такого приладу, його структура та символ позначення наведені на рис.1.5.

Рис.1.5

На відміну від динистора, триністор може вмикатись при значно нижчих анодних напругах за рахунок струму Iк в його керуючому електроді (КЕ). Тобто SCR є приладом з односторонньою провідністю, вмикання якого визначаться моментом появи струму в колі керуючого електроду за умови, якщо між анодом та катодом існує позитивна різниця потенціалів. Головним недоліком такої структури є неповна керованість, тобто SCR неможливо вимкнути по колу керуючого електрода. Щоб перемкнути тиристор з відкритого в закритий стан потрібно розірвати його анодне, або силове, коло і зменшити анодний струм до нуля. Той же результат досягається якщо змінити полярність анодної напруги. Така зміна в кінцевому результаті також приводить до зниження анодного струму тиристора та його вимкнення. Саме ця властивість забезпечила триністору назву звичайного, або напівкерованого, тиристора. Він отримав широке застосування в тих перетворювачах, які живляться від промислової мережі де тиристор перемикається природнім шляхом за рахунок періодичної зміни полярності напруги між його анодом та катодом. Це – керовані випрямлячі, регулятори та стабілізатори змінного струму, безіскрові вимикачі та пускові пристрої, а також компенсатори реактивної потужності.

Звичайний тиристор на даний час є найбільш потужним керованим ключем з найвищим коефіцієнтом підсилення струму. Відношення його анодного струму до струму керуючого електрода може перевищувати сто тисяч. Ці особливості забезпечують його пріоритетне використання в перетворювачах великої та надвеликої потужності. Наприклад, звичайний тиристор не має альтернативи в автономних інверторах та випрямлячах високовольтних ліній електропередач великої потужності.

Властивість вмикатись в заданий момент часу забезпечує тиристору регулювальні властивості. Найбільш поширеним є фазоімпульсний спосіб вмикання тиристора, який дозволяє регулювати як постійну складову струму та напруги, так і діюче значення змінних струмів та напруг.

Найбільш простим прикладом такого регулювання є робота найпростішого керованого випрямляча, схема якого наведена на рис. 1.6.

 

Рис.1.6

Система імпульсно – фазового керування (СІФК) забезпечує генерацію імпульсу струму в керуючому колі тиристора, фазує цей імпульс з позитивним півперіодом анодної напруги та забезпечує регулювання моменту появи цього імпульсу. Момент появи імпульсу струму визначається кутом вмикання α. Миттєві діаграми випрямляча зображені на рис. 1.7.

Рис.1.7

В момент подачі імпульса на керуючий електрод тиристора, останній вмикається і під’єднує вторинну обмотку трансформатора до навантаження. Змінюючи момент вмикання α, можна регулювати площу півперіоду напруги , регулюючи тим самим середнє значення напруги на навантаженні, як це зображено на рис.1.7, в.

Аналітично така залежність визначається з рівняння:

(1.1)

В наведеному виразі ω t=θ, а -діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора.

Тобто середнє значення випрямленої напруги залежить від площі півперіоду напруги яка прикладається до навантаження. В свою чергу, ця площа визначається кутом α, який в даному випадку може змінюватись в межах 0≤ α ≤π.

Як видно з діаграм рис.1.7,в та виразу (1.1), середнє значення випрямленої напруги набуває максимального рівня при α= і стає рівним нулю, коли . Таке регулювання називається дискретним і є найбільш ефективним з точки зору енергозбереження. Пояснюється це тим, що у відкритому та закритому стані втрати на тиристорі мінімальні і у випадку ідеального ключа к.к.д. такої схеми складає майже сто відсотків, якщо не враховувати втрат в трансформаторі.

Розглянутий принцип регулювання є універсальним і закладається в основу роботи практично усіх типів перетворювачів, що використовується як регулятори напруги та струму незалежно від того, живляться вони від промислової мережі чи інших автономних джерел живлення.

Як уже зазначалось, основний недолік звичайного тиристора полягає в його неповній керованості, що обмежує застосування приладу в перетворювачах які живляться від джерел постійної напруги.

В схемах таких перетворювачів необхідно вмикати додаткові кола для примусового вимикання тиристорів. Потужність цих кіл, які називаються вузлами примусової комутації, співмірна з потужністю навантаження і їхня наявність суттєво знижує техніко-економічні показники перетворювального пристрою та обмежує його енергетичний та частотний діапазони.

На початку 70-х років минулого сторіччя був запропонований повністю керований, або двоопераційний, тиристор англійська назва якого читається як Gate Turn-of Switch (GTO), а символ позначення наведено на рис.1.8, а. Цей прилад може вмикатись та вимикатись по колу керуючого електрода, що забезпечило йому можливість використання в перетворювачах різного типу, в тому числі і тих, що живляться від джерела постійної напруги. Фізичні процеси, що протікають в структурі GTO подібні до тих, що мають місце в звичайному тиристорі. Тому двоопераційний тиристор може вимикатись не тільки по колу керуючого електрода, але і як звичайний тиристор, шляхом зменшення його анодного струму. Саме ця обставина забезпечила йому використання в керованих випрямлячах.

В сучасній електроенергетиці, окрім названих, тиристор GTO застосовується в перетворювачах потужністю в сотні кіловат (в майбутньому до 3 МВт) для приводу вентиляторів, компресорів, насосів, а також в статичних компенсаторах реактивної потужності та потужних агрегатах безперебійного живлення. До його переваг, окрім повного керування, слід віднести високу перевантажувальну здатність, можливість послідовного вмикання та робочий діапазон частот до 250 Гц при напрузі до 4кВ. Недоліками приладу є значні втрати у ввімкненому стані. Прямий спад напруги на ньому може досягати 4 В.

Робота GTO вимагає застосування складної системи керування зі значними втратами в ній. Наприклад, коефіцієнт підсилення за струмом вимикання тиристора теоретично досягає десяти, а на практиці складає п’ять – шість одиниць. До того ж, вказаний прилад має занижені динамічні властивості, що призводить до зростання втрат енергії при його перемиканні. До динамічних, незалежно від типу тиристора, відносять такі параметри:

1.Швидкість наростання прямого анодного струму , перевищення якого призводить до так званого “голкового” проколу структури та виходу приладу з ладу.

2.Швидкість наростання прямої анодної напруги , перевищення якої призводить до самовільного вмикання тиристора.

3.Час вимкнення t вимкн., або час відновлення запірних властивостей тиристора.

4.Час вмикання t вмик,тобто час, за який структура тиристора перейде з вимкненого в увімкнений стан.

Максимально досягнуті експлуатаційні параметри двохопераційного тиристора на даний час складають 3 кА та 6 кВ в імпульсі зворотної напруги, що повторюється.

Окрім розглянутих, існують симетричні тиристори (Triac), які використовуються в якості безіскрових вимикачів та реле, а також в перетворювачах для пуску та регулювання двигунів змінного струму. Умовне позначення цього приладу наведено на рис. 1.8,б.

 

Рис.1.8

 

Cиметричні тиристори, або симістори, мають п’ятишарову напівпровідникову структуру і являють собою два зустрічно-паралельно увімкнутих тиристори, технологічно виконаних в єдиному монокристалі кремнію. Тобто, це прилад з двосторонньою провідністю, який керується так само як і звичайний тиристор, але здатний пропускати струм в обох напрямках.

Головним недоліком симістора є його низькі динамічні параметри та значні втрати у відкритому стані, що стримує його широке використання. На даний час максимально досягнуті експлуатаційні параметри приладу складають 800 А діючого значення струму та 1200 В амплітудного значення напруги, що повторюється.

До найбільш сучасних тиристорів слід віднести ряд розробок останніх десятиріч. З них найбільш перспективними виявились два прилади - електростатичний тиристор (Static Induction Thiristor) скорочено SITh, та запірний тиристор з МОН – керуванням, або тиристор з інтегрованим керуванням (Isolation Gate Controlled Thiristor), скорочено IGCT. Символ позначення та принципова схема першого з них наведено на рис.1.8, в, а другого –на рис.1.8, г.

За своєю структурою обидва тиристори є інтегральним сполученням біполярних та польових транзисторів в одному напівпровідниковому кристалі.

За електричними властивостями SITh є діодом-тиристором, тобто в нормальному стані він проводить струм і лише для його вимкнення потрібно подати від’ємну, по відношенню до катода, запірну напругу на керуючий електрод, виконаний у вигляді затвора польового транзистора з керуючим

p-n-переходом. До переваг такої структури слід віднести підвищений діапазон робочих температур (більше 200°C), можливість перемикати анодний струм значної густини (в 2÷2,5 рази вищий ніж у гібридного транзистора). Окрім цього, прилад має високу стійкість до перевантажень та покращені динамічні параметри. На шляху протікання анодного струму знаходиться тільки один p-n-перехід, тому прямий спад напруги на SITh не перевищує 2-х Вольт при значній густині цього струму.

Областю застосування таких тиристорів є індукційні печі нагріву та статичні компенсатори реактивної потужності. Широке запровадження статичних індукційних тиристорів стримуються складною технологією їх виготовлення, а отже і значною вартістю, а також із-за необхідності підтримувати від’ємне зміщення в колі керуючого електрода для забезпечення його вимкнутого стану.

Тиристор IGCT є більш досконалим і належить до повністю керованих. В своїй структурі він об’єднує чотиришаровий звичайний тиристор та два МОН-транзистори з каналами p- та n- типу, які виготовляються за інтегральною технологією в єдиному монокристалі кремнію. Силові прилади складаються з багатьох, невеликих за розміром, монокристалічних структур, які називаються сегментами і які з’єднані між собою певним способом.

В нормальному стані тиристор закритий і увімкнути його можна або шляхом підвищення анодної напруги, тобто як звичайний тиристор, або шляхом подачі на затвор МОН-транзистора з каналом n-типу вмикаючої напруги. Для вимкнення тиристора слід зняти вмикаючу напругу або змінити її полярність. Рівень вмикаючої та вимикаючої напруги не перевищує 15 В, що є безумовною перевагою тиристора IGCT. Завдяки незначній потужності в колі керуючого електрода, система керування тиристором (драйвер) монтується всередині корпусу безпосередньо на його структурі, що дозволяє об’єднати сегменти тиристора в єдиний прилад. Наприклад, структура IGCT тиристора, розрахованого на струм 4000 Ампер складається з двох тисяч сегментів, кожен з яких здатен вимикати струм два ампери.

Порівняно з GTO у IGCT значно знижено амплітуду прямого спаду напруги, потужність управління, статичні та динамічні втрати, а також суттєво підвищена швидкодія приладу.

В 1996 році на базі IGCT був виготовлений перетворювач потужністю 100 МВт, який експлуатується і в наш час.

Кваліфікаційні випробування та досвід експлуатації перетворювачів на базі IGCT показав, що для перетворювачів потужністю 3 МВт можна отримати напрацювання на відмову не менше 45 років та інтенсивність потоку відмов не більше 2300 FIT (FIT відповідає одній відмові на мільярд годин).

Очікується, що прилади IGCT стануть головними елементами для використання в області середніх та великих напруг потужністю від 0,5 до 100 МВт. Це досягається завдяки послідовному вмиканню приладів та їх високій надійності при відносно низькій вартості. Тобто у вказаному діапазоні потужностей тиристор IGCТ не має конкурентів. Наприклад,ще в 1997 році фірма АВВ Semiconductors почала серійний випуск IGCT з максимально досягнутими параметрами в 4 кА при амплітуді зворотної напруги, що повторюється в 6 кВ.

Що стосується маркування силових тиристорів, то в світі відсутній єдиний стандарт їхнього позначення. Кожна держава та фірма-виробник має свою систему позначень. В Україні маркування силового тиристора здійснюється за тим же принципом, що і силового діода. Змінюються лише перші літери, що вказують на тип приладу та його властивості, а також може додаватись ряд цифр, що визначають його динамічні параметри.

 

Силові транзистори

На даний час в силовій електроніці використовуються чотири типи силових транзисторів. До них відносять силовий біполярний транзистор, назва якого англійською мовою пишеться як Bipolar Power Transistor (BPT); польові транзистори з ізольованим затвором: Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor(MOSFET), гібридні транзистори, що поєднують властивості як біполярного, так і польового транзистори – Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) та статичні індукційні, що є різновидом польового транзистора з вертикальним каналом провідності: Static Induction Transistor (SIT)

Як і тиристори, силові транзистори є потужними електричними ключами, що вмикаються та вимикаються по колу керування. Головною відмінністю між ними є значно вищі граничні частоти перемикання,що забезпечує транзисторам пріоритетне застосування в перетворювачах з модуляційним способом регулювання вихідної напруги.

Силові біполярні транзистори застосовуються в якості високовольтних ключів в перетворювачах потужністю від одиниць ватт до кількох кіловатт з частотою перемикання до 100 кГц. Оптимальний діапазон робочих напруг лежить в межах від 200 до 2000 В за умови послідовного вмикання кількох транзисторів.

До створення потужних польових та гібридних транзисторів, найбільш розповсюдженим залишався біполярний транзистор.

Максимально досягнуті експлуатаційні параметри якого складають 800 А колекторного струму та 1200 В постійної напруги між емітером та колектором. На даний час цей прилад використовується в перетворювачах з напругою до 900 В, потужністю до 10 кВт з частотою перемикання - одиниці кілогерц.

Незважаючи на досить високі максимально досягнуті експлуатаційні параметри, подальший розвиток перетворювачів з силовими БТ стримується рядом недоліків цього приладу. Головними з них є нездатність до перевантажень колекторного струму, а також наявність наскрізного теплового струму пробою, який виникає при підключенні до транзистора напруги джерела живлення. Усе це вимагає застосування до транзистора спеціальних захисних кіл які обмежують швидкість наростання його колекторного струму та напруги. Наявність таких кіл звужує частотний діапазон транзистора.

Іншим недоліком є зниження коефіцієнту передачі транзистора за умови зростання струму навантаження. Це призводить до необхідності суттєво підвищувати його базовий струм, що веде до появи додаткових втрат в транзисторі. До цього слід додати погане узгодження транзисторів при паралельному вмиканні, а також значні втрати в увімкненому стані. Усе це призводить до зниження ефективності та надійності приладу і вимагає використання додаткових засобів для формування безпечної траєкторії його перемикання. Все перераховане негативно впливає на техніко-економічні показники перетворювачів із застосуванням БТ.

Що стосується польових транзисторів з ізольованим затвором (MOSFET) то вони використовуються в якості електронних ключів для комутації в низьковольтних високочастотних пристроях. Оптимальне значення комутованих напруг не перевищує 200 В при частоті комутації більше 100 кГц. Діапазон комутованих струмів складає від 2 до 100 А. Позитивними якостями цих приладів є їхня керованість напругою, а не струмом, низька залежність параметрів від температури, а також висока технологічність приладу. Силові польові транзистори типу MOSFET які розраховані на струм, що перевищує 20 А, виготовляються у вигляді окремих моноструктур, кожна з яких розрахована на струм до 20 Ампер, і які за допомогою інтегральних технологій з’єднуються в один, більш потужний, прилад.

В області низьких напруг цей силовий прилад на даний час не має конкурентів і повністю витіснив біполярні транзистори. В силовій електроніці потужні польові транзистори з ізольованим затвором широко використовуються в ключових джерелах живлення ауді- та відео техніки, побутових приладах, електронно-обчислювальних машинах та інших пристроях. Широке застосування потужні МОН-транзистори знайшли в імпульсних перетворювачах постійної напруги для живлення крокових двигунів, а також у регульованих електроприводах.

Рис.1.9

 

Іншим типом силового транзистора є SIT – польовий транзистор з керуючим p-n-переходом зі статичною індукцією. Цей транзистор є багатоканальним і має вертикальне розташування каналів провідності. Структура SIT та символ його позначення зображені на рис.1.9,а. Принцип дії SIT ідентичний роботі польового транзистора з керуючим p-n- переходом.

Особливості його роботи та вольт - амперні характеристики, які зображені на рис.1.9,б, можна пояснити з урахуванням геометрії та форми малого затвора та короткого каналу специфічної форми, а також розподілом напруженості поля в каналі провідності. Області напівпровідника р-типу мають форму циліндрів діаметр яких складає одиниці мікрометрів. Ця система циліндрів виконує роль затвора. Кожен з цих циліндрів під’єднаний до електроду затвора, як це зображено на рис.1.9,а. Структура транзистора зі статичною індукцією характеризується коротким каналом та малою відстанню від витоку до стоку (10 мкм). Підвищена потужність SIT забезпечується багатоканальною будовою структури та малими розмірами областей затвору. Саме тому транзистор має вихідні характеристики без горизонтальних ділянок. Тобто на них відсутні області насичення струмом, що забезпечує дуже низький вихідний опір транзистора.

SIT може працювати як при зворотному зміщенні затвора (режим польового транзистора), так і при прямому зміщені затвора (режим біполярного транзистора). В результаті змішаного управління відкритий транзистор керується струмом затвора, який в цьому випадку працює як база біполярного транзистора, а при вимкненні транзистора до затвору прикладається зворотна запірна напруга. На відмінну від біполярного, зворотня напруга на затворі статичного транзистора може досягати 30 В, що прискорює розсіювання неголовних носіїв, які з’являються в каналі у відкритому стані, і скорочує час вимкнення транзистора.

До основних переваг SIT можна віднести можливість роботи при дуже високих напругах стік- витік (до кількох кіловольт) та дуже малий спад напруги у відкритому стані (до 1,5 В). Малий час вимкнення дозволяє йому перемикатись з частотою до 100 кГц при дуже високих значеннях параметрів та .

Широке застосування статичного транзистора стримується тим, що у нормальному стані він проводить струм, і для утримання його в закритому стані до затвора слід прикладати від’ємну запірну напругу.

Цей недолік відсутній у біполярного статичного індукційного транзистора (BSIT) у якого напруга відсічки завдяки технологічним прийомам (введенням додаткового прошарку р-типу) зведена до нуля. Завдяки цьому BSIT, як і біполярний транзистор, вимкнутий, якщо на затворі відсутня напруга.

В силовій електроніці SIT використовуються в ультразвукових генераторах, для живлення печей з індукційним нагрівом, широкосмугових підсилювачах великої потужності.

Найбільш досконалим з усіх перерахованих транзисторів на даний час є гібридний транзистор IGBT. Він поєднує позитивні властивості як біполярного, так і польового транзистора з ізольованим затвором. Комерційне використання IGBT почалось з 80-х років минулого сторіччя і вже зазнало шість стадій свого розвитку.

Транзистори першого покоління були здатні комутувати напругу до 100 В і струм 200 А в модульному і 25 А в дискретному виконанні. Прямий спад напруги досягав 4 В, а частота перемикання не перевищувала 5 кГц.

Уже в четвертому поколінні, починаючи з 1998 року, комутована напруга досягла 4500 В, струми до 800 А в модульному виконанні і 70 А в дискретному виконанні. Пряме падіння напруги не перевищувало 2,5 В при максимальній густині струму колектора, а частота комутації досягала 50 кГц.

Таким чином, протягом останніх десятиліть зусилля розробників IGBT ключів було постійно спрямоване на зменшення залишкової напруги, підвищення швидкодії та стійкості перемикання при все зростаючих значеннях струмів і робочих напруг приладу, причому поставлені завдання з кожним роком вирішувались все більш якісно. Наприклад, фірма Toshiba Semiconductor розробила в 2004 році (шосте покоління) біполярний транзистор з ізольованим затвором і підвищеною інжекцією IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor). Він має прямий спад напруги і густину струму, що відповідають звичайним надпотужним тиристорам, і динамічні параметри перемикання, характерні для IGBT. На даний час виготовляються декілька типів таких транзисторів, в тому числі на струм 750 А і напругу 6,5 кВ в модульному виконанні.

Існує два типи IGBT, які відрізняються технологією виготовлення. Перша з них – однорідна (NPT–Non Punch-Through) – структура в якій кристал рівномірно легується, утворюючи область з n – типом провідності, а затвор розташований горизонтально і не втоплений в канал провідності. Така структура транзистора та його спрощена еквівалентна схема зображені на рис. 1.10, а,б. Там же зображено символ позначення приладу (рис. 1.10, в).

а) б) в)

Рис. 1.10

Як видно з рис. 1.10,б, колектор транзистора IGBT є емітером біполярного транзистора, а емітер останнього відіграє роль колектора гібридного транзистора.

Це спрощена схема заміщення, яка не враховує наявність додаткових елементів, що захищають транзистор від аварійних режимів і інтегруються в схему в процесі його виготовлення.

Більш досконалі прилади отримують внаслідок застосування технологій, запропонованих в кінці 90–х років минулого сторіччя компанією Mitsubishi Electric. Це технологія четвертого покоління для приладів PT – IGBT на основі вертикального затвору Trench Gate. Головним результатом запровадження Trench – технології стало істотне зменшення статичних втрат в IGBT і вихід на новий рівень залишкових напруг - 1,6 В для приладів розрахованих на 600 В і 1,8 В для приладів на 1200 В. Крім того, в ці прилади було додатково введено схему захисту транзистора від короткого замикання RTС (Real Time Control Circuit), призначену для миттєвого зменшення напруги на затворі із стандартних 15 до 11 В. Структура такого транзистора та еквівалентна схема наведені на рис. 1.11,а,б. Символ позначення для усіх типів транзисторів IGBT однаковий.

В 2004 році тією ж компанією Mitsubishi Electric було представлено п’яте покоління IGBT, що отримало назву GSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor), тобто біполярні транзистори з ізольованим вертикальним Trench – затвором з накопиченими носіями. Транзистори мають додатковий n-прошарок, який перешкоджає проходженню дірок з базового епітаксіального прошарку в еміттер. Це дозволяє знизити рівень залишкової напруги до 1,8 – 2,0 В. В цих приладах не використовується гібридна RTC – схема для обмеження стуму короткого замикання, оскільки проблему струмового перевантаження було вирішено підключенням або відключенням певної кількості вертикальних каналів. Слід пам’ятати, що потужний транзистор з ізольованим затвором складається з великої кількості монокристалічних структур, що представляють собою завершені прилади які об’єднуються в одном