Материал: Тепловой расчет тиристоров в заданном эксплуатационном режиме силового блока полупроводникового аппарата

В результате повышения быстродействия защиты обеспечивается снижение уровня колебаний напряжения, появляется возможность уменьшения реактивности сети, ускорения действий систем АВР. С наибольшей эффективностью ТВИК используются в сетях горнодобывающей, химической и нефтехимической промышленности, в системах питания крупных вычислительных центров, где даже кратковременные перерывы питания связаны с большим ущербом.

Области применения комбинированных аппаратов определяются прежде всего высоким коммутационным ресурсом. В сетях низкого напряжения они используются в качестве контакторов наиболее тяжелой категории применения. Для контакторов переменного тока такими категориями являются АС-3 и АС - 4. Им соответствуют прямой пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором, отключение неподвижных или медленно вращающихся двигателей, торможение противотоком. Нормальным коммутационным режимом для контакторов категории применения АС - 4 является включение и отключение токов до 6 при номинальных рабочих напряжениях и cos φ = 0,35 режимах редких коммутаций они должны обеспечивать включение и отключение токов, равных 10 Номинальный рабочий ток выбирается меньшим номинального тока.

Для контакторов постоянного тока наиболее тяжелыми категориями применения являются категории ДС-4 и ДС-5, которым соответствуют режимы управления электродвигателями с последовательным возбуждением: пуск и отключение вращающихся двигателей, отключение неподвижных или медленно вращающихся электродвигателей, торможение противотоком. В режиме нормальных коммутаций контакторы категории применения ДС-5 должны включать и отключать цепи с током до 2,5 при номинальном рабочем напряжении и постоянной времени τ до 10 мс.

В режиме редких коммутаций ток включения и отключения контактора увеличивается до 4 при 1,1 и τ = 15 мс.

Опыт проектирования и эксплуатации комбинированных контакторов показывает, что их массогабаритные показатели на 30 - 40 % ниже, чем у контакторов традиционного исполнения. Достигается это за счет уменьшения междуполюсного расстояния и зазора контактов, исключения резервных дугогасительных камер и форсировки катушек электромагнитных приводов.

Комбинированные аппараты высокого напряжения, которые характеризуются, как и комбинированные контакторы, высоким ресурсом и коммутационной способностью, предназначены в основном для электрических цепей с повышенным числом коммутаций. В качестве выключателей нагрузки и силовых выключателей они могут быть использованы для управления электродуговыми печами, трансформаторами собственных нужд на электростанциях, накопителями энергии, испытательными станциями, энергосистемами горнодобывающей промышленности.

Область применения полупроводниковых и комбинированных аппаратов постоянно расширяется. Этому способствуют, прежде всего, достижения в полупроводниковом приборостроении. За последние годы отечественная промышленность освоила массовый выпуск силовых диодов и тиристоров с более высокими значениями предельных токов и напряжений. Уровень токов для тиристоров и диодов доведен соответственно до 5000 и 7100 А. [2]

Повторяющееся напряжение и у тиристоров и у диодов повышено до 6.5 кВ. Значительно улучшены динамические характеристики приборов: быстродействие при включении - выключении, допустимая скорость приложения напряжения в прямом закрытом состоянии и допустимая скорость нарастания тока при включении.

Лучшие образцы тиристоров допускают приложение напряжения со скоростью 1000 - 2500 В/мкс. Важно, что вместе со значительным улучшением характеристик стоимость СПП продолжает снижаться.

Большое значение для развития полупроводникового аппаратостроения имеет освоение промышленностью целого ряда СПП с принципиально новыми возможностями: запираемых тиристоров (ТЗ), тиристоров с комбинированным выключением серии ТБК, тиристоров-диодов ТДЧ, мощных высоковольтных транзисторов и др. Запираемые по управляющему электроду и комбинировано выключаемые тиристоры позволяют создавать защитные аппараты с высоким быстродействием при значительно меньших массогабаритных показателях по сравнению с аппаратами с емкостной искусственной коммутацией тиристоров общего назначения.

Важным для развития полупроводниковых аппаратов является совершенствование фотоуправляемых приборов и модулей. Достигнутый к настоящему времени уровень предельных параметров по току и напряжению фототиристоров и фотодиодов сравним с параметрами приборов обычного исполнения. Применение таких приборов позволяет легко осуществить гальваническую развязку управляющих и силовых цепей полупроводниковых аппаратов, упростить их конструкцию и повысить надежность. Особенно перспективным представляется применение фотоуправляемых приборов в коммутационных и защитных аппаратах высокого напряжения.

Отмечая общую тенденцию интенсивного развития аппаратостроения на основе СПП, следует обратить внимание на особенности их проектирования. Тиристоры или другие полупроводниковые приборы составляют основу силовой схемы любого аппарата. Они определяют функциональные возможности, надежность и долговечность аппарата.

Вместе с тем довольно простые внешние очертания в монолитность конструкции СПП часто проводят к недооценке сложности физических процессов, протекающих в многослойной структуре полупроводникового прибора, и потенциального многообразия возможных применений СПП. Разработчик аппаратуры всегда должен представлять внутреннее устройство того или иного прибора, особенности конструктивного исполнения и технологии изготовления основных элементов, влияние различных факторов, в том числе и конструктивных, на характеристики и параметры СПП.

2. Современная силовая электроника

2.1 Традиционный тип полупроводниковых приборов

2.1.1 Диод

Диод - электронный <#"801159.files/image001.gif">

Рис. 2.1 Буквенные обозначения для диодов.

Принцип действия

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел.

При этом преимущественно используются контакты: полупроводник-полупроводник; металл-полупроводник; металл-диэлектрик-полупроводник. Если переход создается между полупроводниками n-типа и p-типа, то его называют электронно-дырочным или p-n переходом.

Электронно-дырочный переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных и разнообразных технологических операций.

Рассмотрим p-n переход, в котором концентрации доноров N_д и акцепторов N_a изменяются скачком на границе раздела (см. рис. 2.1). Такой p-n переход называют резким. Равновесная концентрация дырок в p-области () значительно превышает их концентрацию в n-области (). Аналогично для электронов выполняется условие > . Неравномерное распределение концентраций одноименных носителей зарядов в кристалле приводит к возникновению диффузии электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. [3]

Рис. 2.2 Равновесное состояние p-n перехода.

Электроны и дырки, переходя через контакт навстречу друг другу (благодаря диффузии), рекомбинируют и в приконтактной области дырочного полу - проводника образуется нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторных примесей, а в электронном полупроводнике нескомпенсированный заряд положительных донорных ионов. Таким образом, электронный полупроводник заряжается положительно, а дырочный - отрицательно. Между областями с различными типами электропроводности возникает собственное электрическое поле напряженностью E_соб, созданное двумя слоями объемных зарядов.

При использовании p-n перехода в полупроводниковых приборах к нему подключается внешнее напряжение. Величина и полярность этого внешнего напряжения определяют электрический ток, проходящий через p-n переход. Если положительный полюс источника питания подключается к р-области, а отрицательный полюс - к n-области, то включение p-n перехода называют прямым. При изменении указанной полярности источника питания включение p-n перехода называют обратным

Прямое включение p-n перехода показано на рис.2.3 Прямое напряжение создает в переходе внешнее электрическое поле, направленное навстречу собственному. Напряженность результирующего поля падает и потенциальный барьер уменьшается до U_к - U_пр. В результате снижения потенциального барьера большее количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область, следовательно через область p-n-перехода может протекать прямой ток (I_ПР), созданный внешним источником_.

Рис. 2.3 Прямое включение p-n перехода

При включении p-n перехода в обратном направлении (рис.2.4) внешнее обратное напряжение Uобр создает электрическое поле, совпадающее по направлению с собственным, что приводит к росту потенциального барьера на величину U_обр. Возрастание потенциального барьера уменьшает диффузионные токи основных носителей. Через переход будет проходить результирующий ток, определяемый в основном током дрейфа неосновных носителей, называемый обратным током (I_ОБР) p-n перехода.

Рис. 2.4 Обратное включение p-n перехода.

2.1.2 Транзистор

Транзисторы - полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые.

Устройство

Транзистор состоит из полупроводникового материала, который, как правило, применяют в виде монокристалла, в его контракцию входят изолирующие элементы, металлические выводы, легирующие добавки к базовому материалу, а также керамические и пластиковые части корпуса. В некоторые модели включают и другие материалы.

Однако основными из них являются транзисторы на основе галлия, силиция, германия и арсенида галлия. На сегодня существуют транзисторы на основе прозрачных полупроводников, используемых в матрицах разнообразных дисплеев. Перспективным направлением в изготовлении транзисторов является использование полупроводниковых полимеров. В настоящее время известны транзисторы на основе карбоновых нанотрубок, которые используют для изготовления графеновых полевых транзисторов.

Транзисторы используют в усилительных схемах. Работают, обычно, в усилительном режиме. Известны также экспериментальные разработки цифровых усилителей, состоящих из транзисторов. В данном случае транзисторы работают в ключевом режиме. Использование транзисторов в электронных ключах. В данном случае транзисторы работают в ключевом режиме. Такие ключевые схемы являются регенераторами (усилителями) цифровых сигналов. В некоторых случаях электронные ключи применяются для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это проводится в тех случаях, когда нагрузка имеет достаточно большую инерционность, а напряжение и сила тока в ней регулируется шириной импульсов, анне амплитудой. На этом же принципе основаны нагревательные приборы, а также бытовые диммеры для ламп накаливания. Транзисторы используются в качестве своеобразных усилительных систем в переключательных каскадах. Транзисторы и генераторы сигналов. С учетом типа генератора транзистор может использовать в усилительном режиме (генерация сигнала произвольной формы) либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов) режиме.

Принцип работы

Добавление некоторых примесей к кремнию или германию, из которого изготавливают транзисторы, увеличивает его способность проводить электрический ток, изменяя его кристаллическую структуру. Кремний с примесью бора называется кремнием p-типа (от positive - положительный), поскольку в его кристаллической решетке не хватает электронов. Кремний с примесью фосфора содержит избыток свободных электронов и называется кремнием n-типа. На поверхности обеих сторон пластинки кремния наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходит диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n, а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p.

Рис. 2.5 Схематическое изображение транзистора.

Независимо от внутренней структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Ток в цепи эмиттер-коллектор возникнет, если концентрация неосновных носителей заряда гораздо меньше концентрации основных. В этом случае ток неосновных носителей настолько мал, что его можно не учитывать. Однако ток коллекторного перехода ЭК можно резко увеличить, повысив концентрацию неосновных носителей в базе, если их туда инжектировать (впрыснуть) из эмиттера.

Для этого необходимо движение носителей зарядов через эмиттерный переход. Для начала инжекции зарядов нужно подключить положительный полюс к n-области базы (npn) и отрицательный - к p-области эмиттера.

При прохождении базы электроны могут рекомбинировать, в следствие чего создается ток "эмиттер-база". С этой целью толщина базы делается меньше длины дрейфа носителей заряда за время жизни. Таким образом большая часть инжектированных носителей успевает достичь перехода "коллектор-база" и втягивается электрическим полем в коллектор. Через транзистор начинает течь ток.

Если напряжение с пары база-эмиттер снимается, электроны перестают втягиваться в область между коллектором и эмиттером, проводящий канал разрушается и транзистор перестает пропускать ток - "выключается". Таким образом, транзистор может находиться в двух состояниях - "включено" и "выключено". Такое "двоичное" поведение транзистора используется при обработке информации в компьютере.

Движущихся частей в транзисторах нет, переключение из выключенного состояния во включенное и обратно происходит с помощью управляющего тока на эмиттере электрических сигналов. Включение и выключение транзисторов лежит в основе работы процессоров.

Устройство, имеющее, подобно транзистору, два состояния, может быть названо двоичным. Включенное состояние транзистора можно обозначить единицей, а выключенное - нулем. Последовательностями и наборами нулей и единиц, вырабатываемых множеством транзисторов, можно представлять буквы, числа, цвета и графические объекты. Такой принцип называется двоичным представлением и используется в цифровой технике для хранения и передачи информации.

Рис. 2.6 Обозначение тиристора в схемах.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров - управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например, тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).