Основные показатели конструкции преобразователей. Дополнительные показатели.

1. Удельная масса устройства, кг/кВА: , где M – масса устройства, кг; S – установленная (полная) мощность кВА.

2.Удельный объем устройства, дм³/кВА: , где V – объем устройства в дм.

3.Удельная стоимость устройства, руб. / кВА: , где С – стоимость устройства, руб.

По этим показателям могут быть вычислены:

- удельный вес устройства, кг/дм3,

- стоимость единицы массы, руб. /кг,

- стоимость единицы объема, руб./дм³,

Дополнительные показатели.

Удельные потери в единице объема, Вт/дм³:

Удельные потери в единице массы, Вт/кг:

Удельные потери на единицу мощности (полной или реактивной, Вт/кВА или Вт/кВАр):

Для реактивных элементов в цепях переменного тока или

Для реактивных элементов в цепях постоянного тока

Удельные показатели связаны между собой следующими очевидными соотношениями:

Наличие которых свидетельствует о том, что из шести основных перечисленных показателей только три являются независимыми, а три других могут быть вычислены по приведенным уравнениям связи.

Оценку массогабаритных и стоимостных показателей устройства можно сделать еще на стадии расчёта электромагнитных параметров элементов схемы преобразователя, зная значения удельных конструктивных показателей элементов. Другой путь получения этих показателей – расчёт их по конструктивным данным готовых преобразовательных агрегатов, приведенным в справочниках.

7. Силовые полупроводниковые элементы. Силовые диоды.

Для схем силовой электроники применяются полупроводниковые приборы с максимально допустимым прямым током более 10 А и максимальным импульсным прямым током более 100 А. По принципу действия различают силовые диоды, тиристоры и транзисторы, которые, в свою очередь, могут отличаться по конструктивному исполнению и по электрическим параметрам.

Силовые полупроводниковые приборы не могут эксплуатироваться при предельно допустимых параметрах напряжений и токов. Коэффициент запаса по напряжению и току определяется изготовителем из условий обеспечения заданной надёжности.

В зависимости от условий воздействия напряжения на полупроводниковый прибор различают три вида максимально допустимых значений напряжения: рабочее, повторяющееся и неповторяющееся.

Принцип действия полупроводникового диода основан на использовании свойств электронно-дырочного p-n перехода, возникающего в пластине полупроводника между слоями с различными типами электрической проводимости.

В нормальном режиме работы прямая ветвь характеризуется малой величиной прямого напряжения (около 1В) и большой величиной прямого тока (от 200 до 2000 А), а обратная - большой величиной обратного напряжения (от 600 до 2000 В) и малой величиной обратного тока (от 5 до 50 мА). Однако существуют режимы перегрузки, при которых нормальная работа силового полупроводникового диода может быть нарушена. При большой величине прямого тока, превышающей максимально допустимую для данного вида диода, может произойти тепловой пробой полупроводника, характеризующийся появлением внутреннего короткого замыкания и потерей диодом свойств односторонней проводимости. При увеличении обратного напряжения свыше максимально допустимого может произойти электрический пробой p-n перехода, характеризующийся резким возрастанием обратного тока при практически неизменном обратном напряжении (пунктирная линия на участке Б вольтамперной характеристики). Такой пробой обусловлен ударной ионизацией атомов кристаллической решетки полупроводника свободными носителями зарядов и называется лавинным. Если в конструкции диода не приняты специальные меры по равномерному распределению обратного тока по площади кристалла, то возникает местный перегрев и тепловой пробой полупроводника. Если же диод в силу своих конструктивных особенностей может выдерживать состояние лавинного пробоя продолжительное время, то такой диод называется лавинным, и он может быть использован как ограничитель перенапряжений, возникающих в установках силовой электроники.

8. Применение силовых диодов. Основные параметры силовых диодов.

Современная промышленность и энергетика просто немыслима без так называемых силовых полупроводников. Среди них особой популярностью и востребованностью на производстве обладают диоды и тиристоры. Чаще всего, конечно же, их используют в радиоэлектронной аппаратуре.

Необходимо отметить, что они предназначены, прежде всего, для использования и применения в преобразователях электроэнергии. Помимо этого, они бывают просто незаменимы в цепях постоянного и переменного тока самых разнообразных силовых установок. Они могут использоваться также для защиты от коммутационных перенапряжений и в системах возбуждения турбогенераторов, обладающих большой мощностью. Незаменимы они и в синхронных компенсаторах, в автомобильных электрогенераторах и, наконец, в низковольтных выпрямителях сварки.

Основные параметры силовых полупроводниковых диодов:

1. Предельный ток Iп. Это максимально допустимое среднее за период значение тока, длительно протекающего через диод. Зависит от конструкции диода и от условий охлаждения, А.

2. Повторяющееся обратное напряжение Uп. Это максимально допустимое амплитудное значение обратного напряжения, В.

3. Ударный ток Iуд. Это амплитудное значение прямого тока длительностью 10 мс в аварийном режиме работы устройства, кА.

Дополнительные параметры силовых полупроводниковых диодов:

1. Пороговое напряжение U₀, В.

2. Прямое падение напряжения при протекании предельного тока Uпр, В.

3. Максимальный обратный ток при приложении повторяющегося обратного напряжения I_обр.max, мА.

4. Дифференциальное сопротивление при прямом смещении Rд,мОм.

5. Заряд восстановления обратного сопротивления Qв (Qrr), мкКл.

6. Тепловое сопротивление «переход-корпус» R_п-к , ⁰С/Вт.

9. Силовые приборы на основе SiC.

В настоящее время на рынке полупроводниковых приборов появились диоды на основе карбида кремния. Карбид кремния является полупроводником с непрямой зонной структурой (т. е. вероятность излучательной рекомбинации в нем небольшая), с шириной запрещенной зоны от 2,39 до 3,3 эВ, которая у него больше по сравнению с Si и GaAs, что означает больший диапазон рабочих температур (теоретически до ~1000°С, практически до 600°С) и малый ток утечки (менее 70 мкА при 200°С). Кроме того, Sic-диоды имеют высокую радиационную стойкость.

Карбид кремния имеет высокую теплопроводность (на уровне меди), что упрощает проблему теплоотвода, снижает тепловое сопротивление кристалла по сравнению с Si в два раза, что обусловливает их перспективное использование в силовой электронике и является более перспективным материалом по сравнению с GaN для создания мощных приборов.

Силовые приборы на основе SiC применяются в устройствах средней (1…10 кВт) и большой мощности (10 кВт…1 МВт), а также в устройствах, работающих при высоких значениях температуры и радиации: для скважинных устройств, для автомобилестроения, турбин, для атомных и космических систем.

У силового выпрямительного диода на основе SiC практически отсутствуют обратные токи при комнатной температуре благодаря большой ширине запрещенной зоны. Он имеет большое быстродействие и высокие рабочие температуры, но на протяжении срока службы эти характеристики ухудшаются: увеличиваются токи утечки, снижается пробивное напряжение при обратном включении и увеличивается сопротивление диода в прямом направлении. От этих недостатков свободенSiC-диод Шоттки. Промышленный выпуск мощных SiC-приборов стал возможным при наличии высококачественных подложек.

В связи с тем что у диодов на основе SiC полностью отсутствует эффект накопления заряда в n-области, потери (например, в источниках питания) можно снизить до 30…40%, а в корректорах мощности — до 60%. Благодаря положительному температурному коэффициенту прямого падения напряжения (в отличие от кремниевых диодов) диоды можно включать параллельно без дополнительных выравнивающих цепей.

10. Диоды Шоттки. Мощные диоды Шоттки.

Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В специальной литературе часто используется более полное название — Диод с барьером Шоттки.

В диодах Шоттки в качестве барьера Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от обычных диодов, где используется p-n переход. Переход металл-полупроводник обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся: пониженное падение напряжения при прямом включении, высокий ток утечки, очень маленький заряд обратного восстановления. Последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей, т.е. они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью.

Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния (Si) или арсенида галлия (GaAs), реже — на основе германия (Ge). Выбор металла для контакта с полупроводником определяет многие параметры диода Шоттки. В первую очередь — это величина контактной разности потенциалов, образующейся на границе металл-полупроводник. При использовании диода Шоттки в качестве детектора она определяет его чувствительность, а при использовании в смесителях — необходимую мощность гетеродина. Поэтому чаще всего используются металлы Ag, Au, Pt, Pd, W, которые наносятся на полупроводник и дают величину потенциального барьера 0,2...0,9 эВ.

Допустимое обратное напряжение выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 вольт (CSD05120 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

11. Транзисторы. Режимы отсечки и насыщения. Параллельное включение.

Транзи́стор (полупроводнико́выйтрио́д) — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем. Транзисторами также называются дискретные электронные приборы, которые, выполняя функцию одиночного транзистора, имеют в своем составе много элементов, конструктивно являясь интегральной схемой, например составной транзистор или многие транзисторы большой мощности.

Транзисторы по структуре, принципу действия и параметрам делятся на два класса — биполярные и полевые (униполярные). В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости, он работает за счет взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле, p-n переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом вывод эмиттера всегда является общим для управляющего и выходного токов. В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора, управление осуществляется изменением напряжения между затвором и истоком. Полевой транзистор, в отличие от биполярного, управляется напряжением, а не током. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolarjunctiontransistor). В цифровой технике, в составе микросхем (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками U_эб и U_кб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I_Э. _нас) и коллектора (I_{К. нас}).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (U_{КЭ. нас}) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (U_{БЭ. нас}) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0.

12. Составной транзистор. Структура мощных биполярных транзисторов.

Составно́йтранзи́стор — электрическое соединение двух (или более) биполярных транзисторов, полевых транзисторов или IGBT-транзисторов, с целью улучшения их электрических характеристик. К этим схемам относят так называемую пару Дарлингтона, пару Шиклаи, каскодную схему включения транзисторов, схему так называемого токового зеркала и др.

Мощные биполярные транзисторы разных производителей имеют разную структуру. Основные технологии их производства — это эпитаксиальная и планарная (рис. 1). Эпитаксиальные транзисторы более устойчивы к воздействию окружающей среды и имеют более широкий диапазон безопасных сочетаний напряжения и токов.

Рис. 1. Параметры мощных биполярных транзисторов зависят от их структуры:

а — структура эпитаксиального транзистора;

б — структура планарного транзистора.

Преимущества эпитаксиального транзистора обусловлены расположением эпитаксиальных слоев. Такая структура обеспечивает низкое насыщение, хорошийb-эффект, маленькие размеры кристалла и низкую стоимость. Структура планарного мощного транзистора позволяет ему работать на более высоких частотах, получить гораздо меньший размер кристалла. Однако планарные транзисторы менее надежны.

Транзисторы, изготовленные по планарной технологии, обладают более высокой частотной характеристикой и имеют более высокую скорость переключения, у них, к тому же, более высокий коэффициент усиления по току.

Поэтому, в зависимости от назначения силовой схемы, определяются определенные параметры мощного транзистора, и по ним выбирается тот или иной тип транзистора.

13. Тиристор.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:

«закрытое» состояние — состояние низкой проводимости;

«открытое» состояние — состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров (с тремя электрическими выводами — анодом, катодом и управляющим электродом) — управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод.

В двухвыводных приборах, — динисторах переход прибора в проводящее состояние происходит, если напряжение между его анодом и катодом превысит напряжение открывания.

Также тиристоры применяются в ключевых устройствах, например, силового электропривода.

Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом:

по способу управления;

по проводимости:

тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например, тринистор, изображённый на рисунке);

тиристоры, проводящие ток в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

14. Мощные полевые транзисторы. Структура транзистора.

Полево́й (униполя́рный) транзи́стор — полупроводниковый прибор, работа которого основана на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.

Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, область, в которую они входят, называется стоком, электрод, на который подается управляющее напряжение, называется затвором.

Основополагающий принцип работы, на котором осуществляется действие полевого транзистора с использованием управляющего p-n-перехода основывается на изменении проводимости канала, которая возможна благодаря изменению поперечного сечения. Сток и исток включают напряжение полярности, при котором главные носители заряда (ими являются электроны в канале n-типа) движутся от истока к стоку. В свою очередь, между затвором и истоком включается отрицательное напряжение, управляющее запиранием p – n–переходом.

 

При большем значении напряжения расширяется запирающий активный слой и канал становится уже. С уменьшением поперечного размера канала происходит увеличение сопротивления и уменьшение величины тока между стоком и истоком. Это действие позволяет управлять протеканием тока. При невысоком значении напряжения затвор — исток происходит перекрытие канала запирающим слоем, что снижает проводимость канала. Ширина канала варьируется от нулевого значения до отрицательных величин, иначе говоря, p-n-переходы затвора сдвигаются в обратном направлении, сопротивление увеличивается.

 

Напряжение на затворе после исчезновения канала и смыкании p-n-перехода, определяется, как напряжение отсечки U0– это величина считается одной из основополагающих для всех разновидностей полевых транзисторов.

15. IGBT транзистор.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, англ. Insulated-gatebipolartransistor, IGBT) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.

Каскадное включение транзисторов двух типов позволяет сочетать их достоинства в одном приборе: выходные характеристики биполярного (большое допустимое рабочее напряжение и сопротивление открытого канала пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых) и входные характеристики полевого (минимальные затраты на управление). Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного.

Выпускаются как отдельные БТИЗ, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

16. SIT транзистор со статической модуляцией.

SIT – полевой транзистор с управляющим p-n переходом со статической индукцией. Является многоканальным и имеет вертикальную структуру.Рабочая частота SIT-транзисторов обычно не превышает 100 кГц при напряжении коммутируемых цепей до 1200 В и токах до 200 – 400 А.

17. Предельные режимы работы транзисторов.

Предельно допустимые режимы работы транзисторов определяются максимально допустимыми напряжениями и токами, максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температурой корпуса прибоpa. Основными причинами, вызывающими выход транзистора из строя или нарушение нормальной работы схемы в результате изменения основных параметров транзисторов, могут быть слишком высокое обратное напряжение на одном из переходов и перегрев прибора при увеличении тока через переходы.

В справочных данных на транзисторы обычно оговариваются пpeдельные эксплуатационные параметры:

максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ.max или сток-исток UСИmax;

максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ.Иmax или сток-исток UСИ Иmax;

постоянный или импульсный токи коллектора IKmax и IKиmax, такие же значения тока стока полевых транзисторов;

постоянный или импульсный токи базы Ibmax и IbИmax;

постоянное или импульсное напряжение на затворе Uзтах и UзИтах;

постоянная или импульсная рассеиваемая мощность коллектора РКmax и РКИmax, или аналогичные мощности, рассеиваемые стоками Рс.тах и Рс.итах;

предельная температура перехода Трmax или корпуса прибора TKmn.

Все перечисленные параметры предельных режимов обусловлены развитием одного из видов пробоя: по напряжению — лавинного, по току — токового или теплового, по мощности — вызванного достижением максимальной температуры перехода.

18. Выпрямители. Структурная схема. Классификация.

Выпрями́тель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае - в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

по виду переключателя выпрямляемого тока

механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока;

механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока;

с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);

электронные синхронные (например, транзисторные) — как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией;

с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные);

по мощности

силовые выпрямители;

выпрямители сигналов;

по степени использования полупериодов переменного напряжения

однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну;

двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны;

неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны;

полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны;

по схеме выпрямления — мостовые, с умножением напряжения, трансформаторные, с гальванической развязкой, бестрансформаторные и пр.;

по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные;

по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и пр.;

по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные);

по количеству каналов — одноканальные, многоканальные;

по величине выпрямленного напряжения — низковольтные (до 100 В), средневольтовые (от 100 до 1000 В), высоковольтные (свыше 1000 В);

по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей, для гальваники и пр.;

по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые;

по наличию устройств стабилизации — стабилизированные, нестабилизированные;

по управлению выходными параметрами — регулируемые, нерегулируемые;

по индикации выходных параметров — без индикации, с индикацией (аналоговой, цифровой);

по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно-последовательные;

по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами;

по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.

Трансформатор 1 предназначен для изменения питающего напряжения сети с целью получения заданной величины выпрямленного напряжения на нагрузке 4. С помощью выпрямителя 2 осуществляют преобразование переменного напряжения в пульсирующее. Фильтр 3 предназначен для сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые звенья приведенной структурной схемы, за исключением основного элемента - выпрямителя.