Структура построения и схемы силовых полупроводниковых модулей (СПМ), области использования.

В модульных конструкциях соеденины транз-ры и обратные диоды. В интегральных конструкциях PIC объеденено несколько модулей, образующих преобразователь.

В общем случае могут быть реализованы одинаковые схемы, мостовая 1-фазная схема и 3-х фазная. В зависимости от назначения преобразователя зажимы переменного тока могут быть входными (выходными).

Предельно-допустимые режимы работы СПП часто опред-ся max допустимыми на­пряжениями и токами, рассеиваемой мощностью и допустимой температурой корпуса прибора. Причинами выхода из строя СПП часто бывают высокое обратное напряжение и перегрев прибора. В справочных данных на тран-ры обычно указываются след. праметры:

1. Uкэmax, Uсиmax – max допустимое постоянное напряжение;

2. Uкэ.и.max, Uси.и.max – max допуст. Импульсное напряжение;

3. Iкmax, Iкиmax: max допуст ток коллектора (стока);

4. постоянное или импульсное напряжение на затворе;

5. пост. или имп рассеиваемая мощность коллектора;

6. предельная темп-ра перехода или корпуса прибора;

Все параметры предельных режимов обусловлены одним из видов пробоя:

1. по напряжению – лавинного

2. по току – теплового

3. по мощности – достижение предельной температуры

Условно виды пробоев делят на первичные и вторичные. Первичные пробои (лавинный) явл. обратимыми, вторичные – (тепловой) необратимые, т.к. происходит физическое разрушение перехода.

Различают 3 величины напряжения лавинного пробоя:

1. напряжение пробоя при откл базе: Uкэо (Iб=0)

2. – при вкл м/у Б и Э сопротивления Rб (Rэ=0)

3. – при Б закороченной с Э (Rб=0)

Тепловой пробой вследствии лавинного нарастания темп-ры перехода, т.е. воз­растают токи утечки и полупроводник переходит в проводящее состояние.

В реальных условиях это явление не всегда ограниченно ростом темп-ры, т.к. при более низких темп-рах может наблюдаться резкая зависимость от темп-ры коэф-та передачи тока или предельного рабочего напряжения.

Рассеяние мощности max когда тран-р находится во вкл состоянии или выключается. При высокой частоте коммутации потери растут пропорционально частоте. С увеличени­ем потребляемой мощности растет темп-ра СПП.

Для оценки теплового режима работы СПП исп-ют понятие теплового сопротивле­ния: сопротивление эл-та СПП распространению теплового потока от коллекторного пере­хода к корпусу или в окр среду.

Вторичный пробой часто возникает после развития одного из первичных пробоев или минуя их (в области высоких напряжений на коллекторе и связано с развитием «токо­вого шнура»). При этом коллекторный ток проплавляет К и замыкает его с Б. Для разви­тия вторичного пробоя требуется от 1 до 100 мкс. При развитии вторичного пробоя с цепи Б возникают автоколебания большой частоты, к-ые могут быть использованы для определения опасного режима работы СПП и его защиты.

Рис. 1.1. Области применения новейших силовых полупроводниковых приборов

Как показано на рис.1.1, различные системы могут быть реализованы с помощью MOSFET (МОП-транзисторы) или IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), которые появились в середине 80-х. Сравнивая с другими коммутационными силовыми полупроводниками, например, такими как традиционные GTO-тиристоры, эти типы транзисторов имеют некоторые преимущества в применении, такие как активное выключение даже в случае к.з., функционирование без снабберов, простая схема управления, короткое время переключения, и поэтому сравнительно низкие потери.

Производство IGBT и MOSFET сравнительно простое и является предпочтительным, может быть просто организовано с помощью современных технологий микроэлектроники. Это преимущественно благодаря быстрому развитию IGBT и силовых MOSFET, так как силовая электроника продолжает открывать новые рынки сбыта. Биполярные транзисторы высокого напряжения, которые были еще очень популярны несколько лет назад, на данный момент практически полностью вытеснены транзисторами IGBT.

Наиболее часто применяются транзисторы на несколько десятков ампер, на кремниевом кристалле, который интегрирован в беспотенциальный силовой модуль. Этот модуль содержит один или несколько транзисторов, диоды (рекуперационные) и, при необходимости, пассивные элементы, а также «интеллект», см. главы 1.4-1.6.

Несмотря на недостатки одностороннего охлаждения, силовые модули поддерживают свое влияние в высокомощной электронике, хотя существуют дисковые IGBT с диодами, способные рассеять на 30 % тепла больше благодаря двустороннему охлаждению. Это главным образом благодаря «интеграции», необходимой изоляции кристалла от теплоотвода, различными комбинациями компонентов в модуле и низкой ценой благодаря серийному производству, за исключение их простого монтажа.

Сегодня IGBT модули производятся на прямые напряжения 6.5 кВ, 4.5 кВ, 3.3 кВ и 2.2 кВ, например 3.3 кВ/2.4 кА. Преобразователи на IGBT (многоуровневое переключение и IGBT в последовательном соединении) мегаваттные, для более чем 6 кВ источников напряжения могут быть изготовлены уже сейчас. С другой стороны, MOSFETы разрабатывались для еще более высоких частот; при больших токах можно получить более 500 кГц с соответствующей схемой.