Для чего используют полупроводниковые ключи: Лекция 13 Силовые полупроводниковые ключи — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Лекция 13 Силовые полупроводниковые ключи

Полупроводниковый ключ должен обеспечить коммутацию значительных токов и при этом выдерживать (блокировать) значительные напряжения в закрытом состоянии. Разработчики силовых схем преобразователей мечтают об идеальном ключе. Такой ключ должен при нулевой мощности, потребляемой от схемы управления, мгновенно переключать бесконечно большие токи и блокировать бесконечно большие напряжения, иметь нулевые остаточные напряжения и токи утечки. Развитие технологии силовых ключей привело к созданию ключей следующих основных типов:

— биполярный силовой транзистор (BPT – Bipolar Power Transistor),

— полевые силовые транзисторы (MOSFET –Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),

— биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor),

— статические индукционные транзисторы (SIT – Static Induction Transistor),

— однооперационные тиристоры (SCR – Silicon Controlled Rectifier),

— полностью управляемые тиристоры (GTO – Gate Turn Off).

Современные силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния. Базовая ячейка транзистора n-p-n –типа показана на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 — Структура базовой ячейки силового биполярного транзистора

Эмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером, а также равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную. Слабо легированная область делает коллекторныйp-n переход широким и сдвинутым в область коллектора, что повышает допустимое напряжение на коллекторе. Скосы на кристалле позволяют уменьшить утечки по поверхности кристалла и снизить напряженность электрического поля.

Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа, на рисунке 13.2 показана схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b).

Рисунок 13. 2 — Схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b)

Проводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный — под прямым напряжением. Часто для более полного и быстрого закрытия транзистора напряжение база – эмиттер также делают отрицательным. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно ,,. В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения, а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения,, которое обычно составляет несколько милливольт. Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения. Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения

, (13. 1)

которая может быть от 1,1 до 3.

Переключение транзистора, переход из точки 1 в точку 2 происходит достаточно быстро, т.е. в активной области нагрузочной прямой транзистор находится минимальное время. Мощность, выделяемая на транзисторе в точках 1 и 2, практически равна нулю, затраты энергии происходят только в моменты переключения. Процесс переключения не происходит мгновенно, на переключение затрачивается некоторое время, которое определяет быстродействие ключа, т.е. его способность работать на высоких частотах. Тогда становится понятным стремление разработчиков повысить быстродействие ключей.

Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие переключение транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Временная диаграмма переключения транзистора показана на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 -. Переходные процессы в транзисторном ключе

На интервале 0-1 на базу подано отрицательное напряжение, транзистор закрыт, режим работы соответствует точке 1 нагрузочной прямой. В момент времени 1 на вход подается передний фронт входного напряжения амплитудой , начинается рост тока коллектора, который происходит по закону

, , (13.2)

где — предельная частота транзистора при схеме включения с общим эмиттером.

Такой закон объясняется тем, что нарастание тока происходит одновременно с накоплением заряда в базовой области.

За интервал времени 1-2 формируется передний фронт импульса тока, в точке 2 ток достигает значение

, (13.3)

из этого выражения найдем

. (13.4)

Из последнего выражения видно, что длительность процесса включения уменьшается с увеличением степени насыщения .

Ток , достигнув значения, остается неизменным. После открытия транзистора продолжается процесс накопления заряда в базовой области.

Этот процесс можно представить как рост тока(показан пунктирной линией) до некоторого значения тока, которое называют кажущимся, т.е. соответствующим накопленному заряду.

В момент времени 3 подается запирающее напряжение , но ток не изменяется, транзистор остается открытым еще некоторое время. Это объясняется наличием избыточного заряда неосновных носителей в базовой области, за счет которого транзистор удерживается в открытом состоянии. Отрицательное входное напряжение приводит к смене направления базового тока, однако, заряд мгновенно измениться не может, он уменьшается по экспоненте до момента времени 4. В этой точке он соответствует току. Интервал времени 3-4 называют

временем рассасывания неосновных носителей в базовой области , его можно определить из уравнения

. (13.5)

С момента времени 4 начинается процесс выключения транзистора , длительность которого зависит от тока разряда

. (13.6)

Увеличение быстродействия ключа на биполярном транзисторе связано с противоречием. Для уменьшения включения необходимо увеличивать степень насыщения

S, однако это приведет к увеличению времени рассасывания неосновных носителей.

Эта проблема решается путем формирования входного сигнала специальной формы (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 — Форма входного сигнала

На интервале времени создается ток базы, что приводит к быстрому открытию транзистора, затем ток уменьшают до значения.

Транзистор остается открытым, но накопление избыточного заряда не происходит, таким образом, время рассасывания сводится к нулю. Достаточно часто, импульсы такой формы используются и для управления тиристорами. Небольшой ток в цепи управляющего электрода поддерживают тиристор в открытом состоянии, исключая сбои в работе силовой схемы.

Преимущества ключей на биполярном транзисторе:

Малое остаточное напряжение на открытом ключе, напряжение насыщения составляет доли вольт и не зависит от тока.
Мощность, рассеиваемая на открытом ключе, при , практически линейно зависит от тока насыщения.

Недостатки ключей на биполярном транзисторе:

Малое быстродействие из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в области базы.
Значительная мощность затрачивается на управление транзисторным ключом. Коэффициент передачи по току мощного транзистора не превышает десяти (), что требует значительного тока в управляющей цепи.

Область применения ограничена диапазоном средних мощностей (600 В ,=50 А20 кГц), используется в преобразователяхDC/DC и AC/DC.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей

Введение

Индукционный нагрев как высокоэффективный способ термообработки при воздействии на металл переменных токов высокой частоты широко распространен в различных областях промышленности (пайка, закалка, плавка, литье и т. д.). В качестве источников питания систем индукционного нагрева для всего многообразия технологических процессов применяются частотные преобразователи со звеном постоянного тока на основе комбинации сетевого выпрямителя и однофазного автономного инвертора. Автономные инверторы таких схем могут быть выполнены в качестве инвертора тока или напряжения, с использованием различных типов силовых полупроводниковых ключей [1, 2, 3].

Наиболее эффективное регулирование электрических режимов электротермических установок большой и средней мощности обеспечивается применением тиристорных преобразователей повышенной частоты (от 500 Гц до 22 кГц) на основе автономных инверторов тока. Зачастую автономный инвертор в тиристорных преобразователях частоты выполнен по несимметричной схеме на одном тиристоре с диодом обратного тока, показавшей высокую эффективность в установках индукционного нагрева [1]. Другой тип автономных инверторов характеризуется использованием генератора постоянного напряжения на входе, что дает возможность наиболее просто реализовать схемы источников питания для индукционных систем, работающих на высоких частотах (66–440 кГц) при сравнительно низких мощностях. Схемы инверторов напряжения, как правило, строятся на полностью управляемых ключах [2].

Силовые полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, транзисторы с изолированным затвором) являются ключевыми элементами инверторной части схем преобразователей частоты для систем индукционного нагрева. Исследования и опыт эксплуатации таких систем показывают, что уровень надежности преобразователей частоты в основном определяется надежностью силовых полупроводниковых приборов и зависит от их параметров и характеристик, эффективности охлаждения и схемы управления [4]. Целью данной статьи является краткое знакомство разработчиков преобразователей частоты для питания систем индукционного нагрева с новыми изделиями силовой электроники производства ОАО «Электровыпрямитель», ориентированными на применение в данной технологии.

Тиристоры с асимметричной блокирующей характеристикой

В качестве коммутирующих элементов силовой части несимметричной одноячейковой схемы автономного инвертора с удвоением частоты, получившей широкое распространение в схемотехнике источников питания мощных систем индукционного нагрева, используется встречно-параллельное соединение частотных тиристора VS и обратного диода VD (рис.

1). Силовые коммутирующие элементы — конденсатор С и индуктивность нагрузки L — обеспечивают колебательный характер выходного тока. Работа автономного инвертора характеризуется наличием резонансного режима, при котором реализуется необходимая длительность интервала протекания тока через обратный диод. Этот интервал обеспечивает коммутационную устойчивость автономного инвертора во время восстановления тиристора [5]. Таким образом, обратные диоды в тиристорном инверторе «сбрасывают» излишнюю реактивную мощность колебательного контура нагрузки и стабилизируют напряжение на силовых элементах тиристорного преобразователя частоты при переменной нагрузке [6].

Рис. 1. Четверть мостовой инвертор тока

Частота является очень важным параметром при индукционном нагреве, потому что она, прежде всего, определяет глубину проникновения тока и, следовательно, глубину нагрева. Частота также является важным параметром при проектировании источников питания индукционного нагрева, так как силовые полупроводниковые приборы этих источников выбираются в зависимости от частоты, на которой они функционируют [7]. Развитие силовой полупроводниковой электроники, в частности, в области проектирования частотных быстродействующих тиристоров, изготовляемых на основе четырехслойных полупроводниковых p—n—p—n-структур, связано с одновременным повышением быстродействия и коммутируемой мощности. Однако эти требования противоречивы: увеличение напряжения ограничивается критической величиной напряженности поля, превышение которой приводит к электрическому пробою кремниевой структуры, а снижение напряженности за счет увеличения базовых слоев полупроводниковой структуры приводит, как правило, к утрате быстродействия приборов и повышенным энергетическим потерям во включенном состоянии.

Как видно из схемы, приведенной на рис. 1, от тиристора не требуется обратного блокируемого напряжения, поскольку подключенный встречно-параллельно диод будет выводить обратный ток нагрузки, минуя тиристор. В соответствии с особенностями схемы обратное напряжение на тиристоре будет складываться из прямого падения напряжения на диоде и падения напряжения, обусловленного паразитной индуктивностью шин, соединяющих тиристор и диод. Таким образом, тиристорам, применяемым в подобных схемах, нет необходимости иметь высокую блокирующую способность в обратном направлении.

Одним из эффективных решений повышения рабочих частот является создание тиристоров с асимметричной блокирующей характеристикой на основе пятислойной кремниевой структуры p⁺—n‘-n—p—n⁺-типа. Схемотехническая особенность использования тиристоров со встречно-параллельным диодом позволяет существенно улучшить основные электрические параметры тиристора за счет создания в слаболегированной n-базе буферного n‘-слоя. Буферный n‘-слой предотвращает проникновение области пространственного заряда коллекторного p-n-перехода вглубь n-базы до смыкания с анодным p⁺-эмиттером (эффект «прокола»), что позволяет значительно снизить суммарную толщину n-базы при заданном значении величины блокируемого напряжения, уменьшить значение импульсного напряжения в открытом состоянии и время выключения, снизить коммутационные потери и улучшить частотные характеристики. Однако при этом существенно снижается величина обратного напряжения. Это напряжение, как правило, составляет 5–10 В. Тиристоры с n⁺—p—n—n‘-p-структурами, допустимые обратные напряжения которых намного меньше допустимых напряжений в закрытом состоянии, получили название «асимметричные».

На рис. 2 представлены структура и распределение электрического поля тиристора с симметричной блокирующей способностью и асимметричного тиристора, спроектированных для эксплуатации при одинаковых блокирующих напряжениях.

Рис. 2. Структура и распределение электрического поля n⁺-p-n-p-тиристора с симметричной блокирующей способностью и асимметричного n⁺-p-n-n’-p-тиристора:
а) тиристор с симметричной блокирующей способностью;
б) асимметричный тиристор

Номенклатура асимметричных тиристоров производства ОАО «Электровыпрямитель» и их основные параметры приведены в табл. 1.

**Таблица 1.** Основные параметры асимметричных тиристоров
Тип	V_DRM/V_RRM	I_T(AV) (T_C, °C)	I_TSM (10мс)	V_T(TO) (T_VJM)	r_T (T_VJM)	(di_T/dt)_cr (T_VJM)	(dv_D/dt)_cr (T_VJM)	t_qt	t_q (T_VJM)	R_th(j–c)	T_VJM
Тип	В	А	кА	В	мОм	A/мкс	В/мкс	мкс	мкс	°C/Вт	°C
ТАИ123-250	600–1500/7	250(92)	3,0	1,20	0,95	1000	1000	2,0–3,2	8–16	0,070	125
ТАИ133-500	600–1500/7	500(93)	6,5	1,10	0,55	1000	1000	2,0–3,2	8–16	0,035	125
ТАИ143-800	600–1500/7	800(86)	10,5	1,10	0,25	1000	1000	2,0–3,2	8–16	0,028	125
ТАИ153-800	2400–3400/7	815(85)	16,0	1,65	0,40	1000	1000	2,0–3,2	40–63	0,020	125
ТАИ253-1000	1000–1500/7	1000(80)	16,0	1,60	0,25	1000	1000	2,0–3,2	8–12,5	0,020	125

Приборы изготовлены на кремниевых структурах диаметром 24, 32, 40, 56 мм и собраны в металлокерамические корпуса таблеточной конструкции (рис. 3). Вид климатических исполнений тиристоров УХЛ и Т по ГОСТ 15150. Диапазон рабочих температур –60…+125 °С. Тиристоры обладают повышенной механической прочностью, надежно работают при воздействии вибрационных нагрузок в диапазоне частот 1–2000 Гц с ускорением 200 м/с², а также при одиночных и многократных ударах с ускорением, соответствующим 10000 и 1500 м/с². В данной серии частотных тиристоров используются новые конструктивные решения и передовые технологические процессы изготовления: имплантация фосфора при создании однородного буферного n‘-слоя и технология электронного облучения с целью регулирования времени выключения тиристора.

Рис. 3. Частотные тиристоры серии ТАИ

Улучшение частотных характеристик достигается за счет снижения энергии потерь не только в процессе выключения, но и в процессе включения, поскольку используется оригинальная топология управляющего разветвленного электрода с внутренним усилением, которая увеличивает область первоначального включения и сокращает длительность этапа распространения включенного состояния. Благодаря надежному включению и малым коммутационным потерям тиристоры серии ТАИ способны работать на частотах до нескольких десятков килогерц. Эффективная шунтировка катодного эмиттера обеспечивает прибору длительную эксплуатацию в режиме высоких скоростей нарастания прямого напряжения (dv_D/dt≥1000 В/мкс). Улучшение характеристик асимметричных тиристоров по сравнению с частотными тиристорами с симметричной блокирующей характеристикой тем заметнее, чем выше их напряжение переключения.

Рис. 4.
а) Суммарная энергия потерь тиристора ТАИ153-800 на один импульс тока синусоидальной формы;
б) зависимость рабочей частоты тиристора ТАИ153-800 от длительности импульсов тока синусоидальной формы

На рис. 4 приведены частотные характеристики тиристора ТАИ153-800-34 — самого мощного из представленной серии.

Тиристорно-диодный модуль на основе асимметричного тиристора

Современный рынок преобразователей для индукционного нагрева требует постоянного снижения стоимости и габаритных размеров преобразователей. Для успешного решения этих задач необходимо повышать эффективность работы силовых ключей. Основными направлениями развития силовой электроники являются рост коммутируемой единичным ключом мощности, увеличение степени интеграции и эффективности систем охлаждения. Значительный эффект в схемах автономных инверторов тока может дать переход на модульное исполнение встречно-параллельного соединения тиристор–диод. Модульное исполнение имеет определенные преимущества перед дискретными асимметричными тиристорами и быстровосстанавливающимися диодами, соединенными встречно-параллельно: удобство монтажа (один корпус вместо двух), сокращение паразитной индуктивности шин, соединяющих полупроводниковые элементы, меньшая стоимость.

Специально для применения в источниках питания систем индукционного нагрева разработан частотный тиристорно-диодный модуль на основе асимметричного импульсного тиристора и быстровосстанавливающегося диода с диаметром полупроводникового элемента 40 мм (рис. 5).

Рис. 5. Частотный тиристорно-диодный модуль МТАИДЧ-400-16

Модуль МТАИДЧ-400-16 рассчитан на ток 400 А, прямое напряжение до 1600 В и оптимизирован для применения в схемах источников питания преобразователей повышенной частоты для индукционного нагрева. Основные параметры модуля приведены в табл. 2.

**Таблица 2.** Основные параметры модуля МТАИДЧ-400-16
Тип	V_DRM	V_RRM	I_T(AV) (T_C, °C)	I_TSM (10мс)	V_T(TO) (T_VJM)	r_T (T_VJM)	(di_T/dt)_cr (T_VJM)	(dv_D/dt)_cr (T_VJM)	t_q/t_rr (T_VJM)	R_th(j-c)	T_VJM	V_isol
	В	В	A	кА	В	мОм	A/мкс	В/мкс	мкс	°C/Вт	°C	В
МТАИДЧ-400	1200–1600	7¹⁾	400 (69)	7,0	1,80	0,53	1000	1000	12/1,5	0,060/0,030	125	3000
		1200–1600²⁾

Примечание: 1) для встречно-параллельного соединения тиристора и диода;
2) для последовательного соединения тиристора и диода

Приборы имеют низкие времена выключения тиристора и обратного восстановления диода, высокую стойкость к (di_T/dt)_cr, (dv_D/dt)_cr. Частотные характеристики модуля МТАИДЧ-400-16 приведены на рис. 6.

Рис. 6.
а) Суммарная энергия потерь модуля МТАИДЧ-400-16 на один импульс тока синусоидальной формы;
б) зависимость рабочей частоты модуля МТАИДЧ-400-16 от длительности импульсов токасинусоидальной формы

На рис. 7–10 приведены основные характеристики модуля и зависимости параметров от режимов работы в схеме.

Рис. 7. Предельные вольт-амперные характеристики модуля МТАИДЧ-400-16 в открытом состоянии

Рис. 8. Максимально допустимая температура корпуса модуля МТАИДЧ-400-16 при различных углах управления и различных формах тока

Рис. 9. Зависимость заряда обратного восстановления диода модуля МТАИДЧ-400-16 от скорости спада тока

Рис. 10.
а) Зависимость времени выключения тиристора модуля МТАИДЧ-400-16 от температуры перехода;
б) зависимость времени выключения от скорости спада тока в открытом состоянии

Приборы выполнены в прочных пластмассовых корпусах, основание изолировано от силового и управляющего выводов с помощью теплопроводящей керамики из нитрида алюминия. Напряжение изоляции более 3 кВ. Ширина медного основания модуля 60 мм. Модульная конструкция соединения тиристора и диода в сочетании с внутренней изоляцией позволяет существенно упростить конструкцию силовой схемы, снизить издержки монтажа и обслуживания преобразовательного устройства. Прецизионные прижимные контактные соединения в модулях обеспечивают надежную работу при длительной эксплуатации в циклическом режиме.

Новый тип модуля позволяет разработчику схем частотных преобразователей реализовать два возможных варианта соединения тиристора и диода — встречнопараллельное и последовательное. Для встречно-параллельного необходимо с помощью шины соединить силовые выводы катода тиристора и анода диода. С целью минимизации паразитных индуктивностей необходимо использовать многослойные силовые шины. Применение модуля по данной схеме соединения позволяет проектировать вентильные ячейки, проводящие ток в обратном направлении в преобразователях с естественной коммутацией без приложения обратного напряжения.

Для реализации вентильной ячейки с обратной блокирующей способностью силовые выводы модуля не закорачиваются. Благодаря этому можно получить последовательное соединение асимметричного тиристора и быстровосстанавливающегося диода.

Низкие потери разработанных приборов открывают широкие возможности для разработки новых устройств источников питания с большим коэффициентом полезного действия преобразуемой мощности.

IGBT-модуль с SiC-диодами Шоттки

Вместе с развитием полупроводниковых компонентов силовой электроники совершенствуется и схемотехника преобразователей частоты для индукционного нагрева [8]. Согласно явлению электромагнитной индукции, эффект нагрева растет с увеличением частоты переменного тока. Разработка транзисторных преобразователей в диапазонах мощностей (сотни киловатт) и высоких частот (десятки килогерц) представляет собой сложную техническую проблему. Для решения поставленной задачи требуются более быстродействующие, чем выпускаемые сегодня, силовые электронные компоненты, способные эффективно работать на высоких частотах.

Основными элементами мощных высокочастотных преобразователей являются полностью управляемые ключи — биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Производимые сегодня мощные IGBT-модули предназначены в основном для традиционных применений (электропривод, электроэнергетика, агрегаты бесперебойного питания) и остаются сравнительно низкочастотными. В ОАО «Электровыпрямитель» разработана и внедрена в производство серия IGBT-модулей на токи 25–4800 А, напряжения 600–6500 В. Модули выпускаются по схемам одиночных ключей, чопперов, полумостов и трехфазных инверторов. Они соответствуют требованиям международных стандартов и взаимозаменяемы со многими зарубежными аналогами, продающимися на российском рынке. В настоящее время предприятием производятся IGBT-модули на основе кристаллов нескольких поколений, отличающихся технологией изготовления. В модулях предусмотрены защитные диоды обратного тока с мягкими характеристиками обратного восстановления. Основная номенклатура этих приборов выпускается в стандартных корпусах и предназначена для статических преобразователей частоты, используемых в различных отраслях промышленности, транспорте, в энергетических системах [9].

Существенно улучшить частотные свойства IGBT технологическими приемами не удастся в силу особенностей конструкции кристаллов. Поэтому создавать высокочастотные преобразователи большой мощности для питания систем индукционного нагрева с высокими технико-экономическими характеристиками на серийных IGBT-модулях необходимо за счет применения новой схемотехники и новых способов управления.

Большинство схемотехнических решений инверторов устройств питания используют обратные SFRD-диоды. Энергия потерь IGBT-транзистора при его включении зависит от характеристики обратного восстановления встречно-параллельного SFRD-диода. Применение диодов на основе SiC в сочетании с новой схемотехникой позволяет эффективно использовать IGBT-модули в мощных преобразователях для технологий индукционного нагрева на частотах 20–100 кГц.

Одной из последних разработок в данном направлении является частотный IGBT-модуль с диодами Шоттки М2ТКИ-50-12ЧШ (рис. 11) для преобразователей частоты систем индукционного нагрева с частотой коммутации до 50 кГц. Модуль выполнен по схеме полумоста с частотным IGBT и встроенным быстродействующим SiC-диодом Шоттки на ток 50 А и напряжение 1200 В.

Рис. 11. Модуль М2ТКИ-50-12ЧШ

Преимущества разработанного модуля М2ТКИ-50-12ЧШ с SiC-диодами Шоттки по отношению к аналогичному модулю М2ТКИ-50-12Ч с комплектными SFRD-диодами на основе Si:

снижение энергии коммутационных потерь при включении транзистора E_on на 65%;
снижение энергии коммутационных потерь при обратном восстановлении диода Erec в 13 раз;
практически нулевой заряд обратного восстановления диода Q_rr.

На рис. 12 приведены сравнительные осциллограммы в период коммутационных переключений вышеуказанных модулей.

Рис. 12. Сравнительные осциллограммы тока и напряжения при коммутации IGBT-модулей

За счет применения разработанных модулей в источниках питания систем индукционного нагрева и, в частности, за счет уменьшения потерь в силовых ключах и демпферных цепях можно достичь повышения выходной мощности, снижения габаритных размеров преобразователя и сократить его стоимость.

Заключение

Представленные разработки силовых полупроводниковых ключей производства ОАО «Электровыпрямитель» позволяют потребителю наиболее рационально реализовывать схемотехнические решения при построении источников питания систем индукционного нагрева, увеличив их эффективность, минимизировав стоимость и габариты преобразователей. Более подробная информация о производимых компанией СПП представлена в разделе «Полупроводниковые приборы силовой электроники» на сайте www.elvpr.ru. Кроме того, при необходимости специалисты ОАО «Электровыпрямитель» имеют возможность разработать СПП по требованиям потребителя для конкретных условий работы и оказать помощь в комплектации сопутствующими компонентами (драйверами управления, системами прижима и охлаждения, датчиками температуры и пр.).

Литература

Зинин Ю. Проектирование регулируемых тиристорных преобразователей повышенной частоты // Силовая электроника. 2008. № 4.
Силкин Е. Параллельные инверторы напряжения для электротермии // Силовая электроника. 2009. № 1.
Болотовский Ю., Таназлы Г. Параметры и характеристики источников питания для эффективного индукционного нагрева // Силовая электроника. 2007. № 1.
Аитов И., Зиннатуллин Р. Тиристорные источники питания для ответственных электротехнологических установок // Силовая электроника. 2008. № 2.
Валлиулина З., Зинин Ю. Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором // Силовая электроника. 2007. № 3.
Зинин Ю. Схемотехническая модель индукционного комплекса с тиристорным преобразователем повышенной частоты // Силовая электроника. 2009. № 4.
Болотовский Ю., Таназлы Г. Обзор полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева // Силовая электроника. 2007. № 4.
Силкин Е. Применение нулевых схем инверторов тока с квазирезонансной коммутацией // Силовая электроника. 2005. № 3.
Мускатиньев В. , Мартыненко В., Чибиркин В., Бормотов А. ОАО «Электровыпрямитель» расширяет производство IGBT-модулей // Силовая электроника. 2008. № 3.

Электроника | Устройства, факты и история

транзистор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:: Лэй Цзюнь Ан Ван Роберт Моррис Пейдж Уолтер Шоттки

Похожие темы:: физика промышленность электронная система

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

электроника , раздел физики и электротехники, изучающий эмиссию, поведение и эффекты электронов и электронных устройств.

Электроника охватывает исключительно широкий спектр технологий. Первоначально этот термин применялся к изучению поведения и движения электронов, особенно наблюдаемого в первых электронных лампах. Оно стало использоваться в более широком смысле с развитием знаний о фундаментальной природе электронов и о том, как можно использовать движение этих частиц. Сегодня многие научные и технические дисциплины занимаются различными аспектами электроники. Исследования в этих областях привели к разработке таких ключевых устройств, как транзисторы, интегральные схемы, лазеры и оптические волокна. Это, в свою очередь, позволило производить широкий спектр электронных потребительских, промышленных и военных продуктов. Действительно, можно сказать, что мир находится в эпицентре электронной революции, по крайней мере столь же значительной, как промышленная революция 19-го века.век.

гибкая электроника

Посмотреть все видео к этой статье

В этой статье рассматривается историческое развитие электроники, освещаются основные открытия и достижения. В нем также описываются некоторые ключевые электронные функции и то, как различные устройства выполняют эти функции.

История электроники

Теоретические и экспериментальные исследования электричества в 18-19 веках привели к созданию первых электрических машин и началу широкого применения электричества. История электроники начала развиваться отдельно от истории электричества в конце XIX в.век с идентификацией электрона английским физиком сэром Джозефом Джоном Томсоном и измерением его электрического заряда американским физиком Робертом А. Милликеном в 1909 году.

Во время работы Томсона американский изобретатель Томас А. Эдисон наблюдал голубоватое свечение в некоторых из своих первых лампочек при определенных условиях и обнаружил, что ток будет течь от одного электрода в лампе к другому, если второй (анод) сделать положительно заряженным по отношению к первому (катод). Работа Томсона и его учеников, а также английского инженера Джона Эмброуза Флеминга показала, что так называемый эффект Эдисона является результатом испускания электронов катодом, горячей нитью накаливания в лампе. Движение электронов к аноду, металлической пластине, представляет собой электрический ток, которого не было бы, если бы анод был заряжен отрицательно.

Это открытие послужило толчком к разработке электронных ламп, в том числе усовершенствованной рентгеновской трубки американского инженера Уильяма Д. Кулиджа и термоэмиссионного клапана Флеминга (двухэлектродной вакуумной трубки) для использования в радиоприемниках. Обнаружение радиосигнала, представляющего собой переменный ток очень высокой частоты (AC), требует выпрямления сигнала; т. е. переменный ток должен преобразовываться в постоянный ток с помощью устройства, проводящего только тогда, когда сигнал имеет одну полярность, но не когда он имеет другую полярность, — как раз то, что делает клапан Флеминга (запатентованный в 1904) сделал. Ранее радиосигналы обнаруживались с помощью различных эмпирически разработанных устройств, таких как детектор «кошачий ус», который состоял из тонкой проволоки (усы), находящейся в тонком контакте с поверхностью природного кристалла сульфида свинца (галенита) или какого-либо другого вещества. полупроводниковый материал. Эти устройства были ненадежными, не обладали достаточной чувствительностью и требовали постоянной регулировки контакта усов с кристаллом для получения желаемого результата. Тем не менее, они были предшественниками современных твердотельных устройств. Тот факт, что кристаллические выпрямители вообще работали, побуждал ученых продолжать их изучение и постепенно получать фундаментальное понимание электрических свойств полупроводниковых материалов, необходимое для изобретения транзистора.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В 1906 году американский инженер Ли Де Форест разработал вакуумную лампу, способную усиливать радиосигналы. Де Форест добавил сетку из тонкой проволоки между катодом и анодом двухэлектродного термоэмиссионного клапана, сконструированного Флемингом. Таким образом, новое устройство, которое Де Форест назвал Audion (запатентовано в 1907 году), представляло собой трехэлектродную электронную лампу. При работе на анод в такой вакуумной трубке подается положительный потенциал (смещен положительно) по отношению к катоду, а сетка смещена отрицательно. Большое отрицательное смещение сетки предотвращает попадание электронов, испускаемых катодом, на анод; однако, поскольку сетка представляет собой в основном открытое пространство, менее отрицательное смещение позволяет некоторым электронам проходить через нее и достигать анода. Таким образом, небольшие изменения потенциала сетки могут контролировать большие величины анодного тока.

Вакуумная лампа позволила развить радиовещание, междугородную телефонию, телевидение и первые электронные цифровые компьютеры. Эти первые электронные компьютеры были, по сути, самыми большими из когда-либо созданных ламповых систем. Возможно, самым известным представителем является ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер), завершенный в 1946 году. очень высокие частоты, иметь надежность выше средней или быть очень компактными (размером с наперсток). Электронно-лучевая трубка, первоначально разработанная для отображения электрических сигналов на экране для инженерных измерений, превратилась в телевизионную кинескопную трубку. Такие трубки работают за счет преобразования электронов, испускаемых катодом, в тонкий пучок, который падает на флуоресцентный экран на конце трубки. Экран излучает свет, который можно наблюдать снаружи трубки. Отклонение электронного луча вызывает появление на экране световых узоров, создающих желаемые оптические изображения.

Несмотря на значительный успех твердотельных устройств в большинстве электронных приложений, существуют определенные специальные функции, которые могут выполнять только электронные лампы. Обычно они включают работу при экстремальных значениях мощности или частоты.

Вакуумные трубки хрупкие и со временем изнашиваются в процессе эксплуатации. Отказ происходит при нормальном использовании либо из-за многократного нагревания и охлаждения при включении и выключении оборудования (термическая усталость), что в конечном итоге приводит к физическому разрушению какой-либо части внутренней структуры трубы, либо из-за ухудшения свойств катод остаточными газами в трубке. Вакуумным лампам также требуется время (от нескольких секунд до нескольких минут), чтобы «разогреться» до рабочей температуры, что в лучшем случае доставляет неудобство, а в некоторых случаях серьезно ограничивает их использование. Эти недостатки побудили ученых Bell Laboratories искать альтернативу электронной лампе и привели к разработке транзистора.

Что нужно знать о силовых полупроводниках

Новостная рассылка
Белая бумага
Вебинары

Откройте для себя PCIM Europe

Продукты и приложения
Новости отрасли
Исследования и разработки
Инструменты и программное обеспечение
Эксперты
Услуги

21.01.2020 | Обновлено 09.10.2021Редактор: Флориан Ричерт

Силовые полупроводники выполняют те же задачи, что и обычные полупроводники, только в гораздо большем масштабе. Эти высокопроизводительные компоненты способны работать с чрезвычайно высокими электрическими токами, напряжениями и частотами.

Связанные поставщики

Файнпауэр ГмбХ Литтельфузе Юроп ГмбХ Нексперия Б.

В. Полупроводники необходимы для силовой электроники.

(Источник: Public Domain / Pixabay)

Силовые полупроводники обычно используются в промышленности, а также для передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния.

Что такое силовой полупроводник?

Как и все полупроводниковые устройства, силовые полупроводники используются для выпрямления и усиления электрических сигналов или включения и выключения потока электричества. Однако, в отличие от обычных полупроводников, эти устройства предназначены для работы с большими электрическими токами и высокими напряжениями до нескольких гигаватт.
В качестве компонентов подсистем управления питанием силовые полупроводники обычно используются в качестве переключающих устройств и выпрямителей (для преобразования электрических сигналов), а также для изменения напряжения или частоты электрического тока.

Существует три типа силовых ключей: транзисторы металл-оксид-кремний (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и транзисторы с биполярным переходом (BJT), последние из которых используются либо отдельно, либо как часть схемы (ПОС).

Основными отраслями, получающими выгоду от силовых полупроводников, являются передача и распределение электроэнергии, автомобилестроение и транспорт, возобновляемые источники энергии, бытовая электроника и другие промышленные применения. Они играют ключевую роль в устойчивом и эффективном использовании энергии и могут использоваться для транспортировки энергии на большие расстояния с минимальными потерями.

Si, SiC и GaN, описание

Полупроводниковый материал кремний (Si) до сих пор используется во многих высоковольтных и сильноточных приложениях, хотя к нему присоединились карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). в последние несколько лет. Последние два материала имеют более широкую запрещенную зону, что значительно снижает потери мощности и повышает эффективность. Из этих полупроводниковых материалов GaN предлагает наилучшие характеристики.

Обзор категорий силовых полупроводников

Силовые полупроводники, используемые в системе управления питанием, как упоминалось выше, можно разделить на различные категории. Ниже приводится краткое описание четырех основных категорий силовых полупроводников:

Силовой полевой МОП-транзистор

Силовые транзисторы металл-оксид-кремний представляют собой полностью управляемые силовые полупроводниковые переключатели, предназначенные для работы с большими объемами энергии. Они являются наиболее часто используемым типом силовых транзисторов и особенно хорошо работают на высоких частотах. Как устройства с четырьмя выводами, они имеют выводы затвора, стока, истока и корпуса. Мощные МОП-транзисторы обеспечивают низкую мощность привода затвора, высокую скорость переключения, широкую полосу пропускания, а также просты в эксплуатации и ремонте. Входное напряжение управляет выходным током компонента.

IGBT

Биполярные транзисторы с изолированным затвором представляют собой еще один тип полностью управляемых силовых полупроводниковых переключателей, которые часто используются для приложений с низкими и средними частотами. Как и силовые МОП-транзисторы, они имеют затвор с высоким импедансом, поэтому им требуется очень мало энергии для включения или выключения устройства. IGBT имеют высокую номинальную мощность и низкое напряжение в открытом состоянии и обычно используются в качестве дискретного устройства в блоках силовой электроники, таких как кондиционеры и электромобили.

Тиристор

Тиристоры представляют собой полууправляемые силовые полупроводниковые переключатели с двумя или тремя выводами. Также известные как выпрямители с кремниевым управлением, они управляют потоком электрического тока в однонаправленных или двунаправленных схемах. Эти компоненты часто используются для защиты цепей в бытовой технике, электроинструментах и наружном оборудовании.

Силовой диод (выпрямитель)

Силовые диоды представляют собой неуправляемые силовые полупроводниковые устройства, способные выпрямлять очень сильные электрические сигналы. Они могут выдерживать сотни ампер и тысячи киловольт. Эти компоненты имеют анодную клемму, катодную клемму и полупроводник, состоящий из P-N перехода. PN-переход в силовых диодах больше, чем в обычных диодах. Слои P и N оба легированы, хотя один легирован сильнее, чем другой.

Надежность и отказ

Силовые полупроводники могут легко выйти из строя, если они подвергаются воздействию чрезмерно высокого рабочего напряжения или высокого напряжения и высокого тока одновременно. Перенапряжение может пробить изолятор, например, оксидный слой затвора силового MOSFET или IGBT. Вот почему часто рекомендуется эксплуатировать их при напряжении на 20 процентов ниже заявленного номинального напряжения для обеспечения надежной работы.

Перегрев — еще одна важная причина отказа силовых полупроводников. Электронные компоненты естественным образом нагреваются из-за сопротивления в открытом состоянии, то есть сопротивления между стоком и истоком при работе транзистора. Чем больше сопротивление в открытом состоянии, тем выше потери мощности и тем больше выделяется тепла. Поэтому очень важно учитывать тепловое управление в любой системе силовой электроники. В настоящее время проводятся исследования способов снижения сопротивления во включенном состоянии и улучшения изоляции и защиты высокопроизводительных компонентов.