Тепловой расчет тиристоров в заданном эксплуатационном режиме силового блока полупроводникового аппарата

" Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Институт Энергетики и Транспортных систем Кафедра Электротехники и Электроэнергетики Курсовая работа по дисциплине «Полупроводниковые электрические аппараты»

на тему:

" Тепловой расчет тиристоров в заданном эксплуатационном режиме силового блока полупроводникового аппарата"

Выполнил студент группы 43 215/2: Баймуратов И.З.

Научный руководитель: Васерина К.Н.

Санкт-Петербург 2014

• Введение
• 1. Полупроводниковое аппаратостроение на основе силовой электроники
• 1.1 Преимущества силовых полупроводниковых аппаратов
• 1.2 Недостатки силовых полупроводниковых аппаратов
• 1.3 Специфические требования к СППА в эксплуатационных режимах
• 1.4 Области применения СППА
• 2. Современная силовая электроника
• 2.1 Традиционный тип полупроводниковых приборов
• 2.1.1 Диод
• 2.1.2 Транзистор
• 2.1.3 Тиристор
• 2.2 Современные разработки силовых полупроводниковых приборов
• 2.2.1 Тиристор GTO
• 2.2.2 Тиристоры GCT
• 2.2.3 Тиристоры IGCT
• 2.2.4 Транзисторы IGBT
• 2.2.5 Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET
• 2.3 Функциональные параметры СПП
• 2.4 Технико — экономические возможности применения СПП
• 3. Основные характеристики силовых полупроводниковых проборов по току и напряжению
• 3.1 Температура полупроводниковой структуры — критерий работоспособности полупроводниковых приборов
• 3.2 Характеристики по току и напряжению
• 3.3 Спрямленная вольтамперная характеристика, параметры
• 3.4 Взаимосвязь температуры полупроводниковой структуры с потерями и тепловым сопротивлением
• 3.4.1 Установившийся режим
• 3.4.2 Переходный процесс
• 4. Расчет температуры СПП в заданном эксплуатационном режиме
• 4.1 Расчетное задание
• 4.2 Расчет температуры в заданном длительном режиме
• 4.3 Расчет температуры в импульсном режиме графоаналитическим способом
• 4.4 Оценка расчетной температуры полупроводникового прибора в эксплуатационном режиме
• Заключение
• Список использованных источников

Реферат

На ___ стр.29 рис.

Силовые полупроводниковые аппараты, вольт-амперная характеристика тиристора, элементная база силовой электроники, эксплуатационные режимы, длительный, импульсный, температура структуры, тепловое сопротивление.

В работе представлен анализ полупроводниковых электрических аппаратов. Перечислены основные характеристики и достигнутые параметры силовых полупроводниковых приборов. Приведены методы тепловых расчётов силового блока полупроводникового аппарата в режимах длительной и импульсной нагрузки током. Проведён тепловой расчёт силового тиристора в заданном режиме работы полупроводникового аппарата.

тепловой расчет тиристор полупроводниковый

Обозначения и сокращения

СПП — силовой полупроводниковый прибор СППА — силовой полупроводниковый аппарат СУ — система управления ВАХ — вольт-амперная характеристика

GTO — GateTurnOff

GCT — Gate Commutated Thyristor

IGCT — Integrated Gate-Commutated Thyristor

IGBT — Insulated-Gate Bipolar Transistor

MOSFET — Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistors

Интенсивное развитие силовой полупроводниковой техники определило появление целого ряда научно-технических направлений в развитии электротехнической промышленности. Качественно новые изменения произошли и в области электроаппаратостроения. Появилась возможность создания коммутационных и защитных аппаратов с быстродействием и коммутационным ресурсом, недоступным для традиционных электромеханических аппаратов. Эти свойства, а также преимущества, связанные с отсутствием подвижных частей и дуговых явлений, способность осуществлять регулирование проходной мощности, чувствительность к управлению, высокая надёжность и низкие эксплуатационные расходы обусловили широкое использование сильноточных полупроводниковых (электронных) аппаратов в сетях низкого напряжения в качестве аппаратов управления и защиты. Одновременно возникло и получает всё большее признание направление по созданию комбинированных контактно-полупроводниковых аппаратов, совмещающих в себе положительные качества обоих типов аппаратов.

Практически все современные преобразователи базируются на силовых полупроводниковых приборах ключевого типа, то есть на таких приборах, которые в зависимости от поступающего на них сигнала принимают либо состояние с высокой проводимостью, либо с высокой блокирующей способностью. Условное сопротивление прибора ключевого типа в двух различных состояниях может отличаться в 10−12 раз более, а потому на электрических схемах такой прибор достаточно точно может быть эквивалентирован замкнутым ключом в состоянии высокой проводимости, а в состоянии высокой блокирующей способности — ключом разомкнутым. Полупроводниковые приборы ключевого типа иногда называют просто ключами или вентилями. Выбор ключевого элемента играет решающую роль в конструировании преобразователя и определяет его функциональные возможности и стоимость.

В настоящее время основными приборами силовой электроники являются диоды, тиристоры, биполярные транзисторы, силовые модули на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и запираемые тиристоры (GTO). Существует ряд других современных силовых полупроводниковых приборов (СПП) ключевого типа, например, интеллектуальные силовые интегральные схемы, мощные полевые транзисторы и т. д., однако эти приборы пригодны для применения на сравнительно небольших токах и напряжениях.

В данной работе рассмотрены методы расчета нагрузочной способности тиристоров в эксплуатационных режимах работы. После теоретического описания методов приведен пример расчета нагрузочной способности тиристора в схеме однополюсного полупроводникового аппарата переменного тока со встречно-параллельным включением тиристоров.

1. Полупроводниковое аппаратостроение на основе силовой электроники

1.1 Преимущества силовых полупроводниковых аппаратов

В электронных аппаратах основным элементом, управляющим потоком электрической энергии являются коммутирующие электрические статические или бесконтактные электронные ключи. Функции бесконтактных ключей в настоящее время преимущественно выполняют силовые полупроводниковые приборы. К силовым полупроводниковым приборам относятся приборы с максимально допустимым средним током свыше 10А или импульсным током свыше 100 А. Силовые полупроводниковые приборы работают в качестве электронных ключей в двух явно выраженных состояниях — включенном, соответствующем высокой проводимости, и выключенном, соответствующем низкой проводимости. В этих режимах их вольтамперные характеристики (ВАХ) подобны характеристикам нелинейных элементов релейного типа. Физической основой большинства таких приборов являются полупроводниковые структуры с различными типами электронной проводимости. Управление электронной проводимостью позволяет осуществлять бездуговую коммутацию электрических цепей. [1]

Полупроводниковые силовые электронные ключи обладают следующими преимуществами по сравнению с коммутационными контактными аппаратами:

— отсутствие подвижной механической системы;

— бездуговая коммутация цепей, отсутствие электрического износа;

— очень высокое быстродействие, возможность плавного управления и регулирования тока;

— надёжная работа во взрывоопасных и агрессивных средах;

— возможность управления силовыми ключами при помощи маломощных сигналов;

— возможность управления сигналами малой величины в коммутируемых цепях;

— высокая стойкость к ударным механическим нагрузкам и вибрациям;

— отсутствие акустического шума во время работы.

1.2 Недостатки силовых полупроводниковых аппаратов

Наряду с неоспоримыми преимуществами, силовым электронным ключам присущи следующие недостатки:

1) невысокая устойчивость к электрическим перегрузкам; требуются специальные схемотехнические решения по защите ключей от перегрузок по напряжению и току, а также по скорости нарастания тока di/dt и напряжения du/dt; требуется обеспечение быстродействия защиты от перенапряжений

2) чувствительность к скорости нарастания прямого напряжения (возможны ложные переключения от случайных импульсов с малой продолжительностью, которые могут проникнуть в цепь управления ключом при близких ударах молний, дуговых разрядах в контактных аппаратах, электросварке и т. д.)

3) невысокая глубина коммутации, т. е. отношение электрического сопротивления ключа в отключенном и включенном состояниях; отсутствие видимого разрыва цепи в выключенном состоянии, наличие остаточного тока, отсутствие гальванической развязки в коммутируемой цепи; в состоянии высокой проводимости прямое падение напряжения на ключе составляет не менее 0,7−1,5 В (до 3-х В), что обусловлено контактной разностью потенциалов на границе полупроводниковых слоёв; отсюда — существенные потери мощности, преобразующиеся в теплоту и необходимость применения охладителей

4) зависимость электрических параметров от температуры, приложенного напряжения, наличия источников проникающей радиации и др.; существенные различия в электрических параметрах ключей одного типа и класса;

5) существование граничных токов (относительно включенного состояния), требуется обеспечение оптимальных условий охлаждения полупроводниковых приборов

1.3 Специфические требования к СППА в эксплуатационных режимах

Специфические требования к СППА:

Ш Обеспечение быстродействий защиты СПП от перенапряжений, токов перегрузки и коротких замыканий.

Ш Ограничение до допустимых значений скорости нарастания прямого напряжения

Ш Ограничение скорости нарастания тока при включении СПП

Ш Обеспечение оптимальных параметров управляющих импульсов

Ш Обеспечение оптимальных условий охлаждения полупроводниковых приборов

Определение допустимых режимов работы СПП предполагает учет многих факторов, влияющих на характеристики приборов, а также всех механизмов их отказа. Зная характеристики и установив типы отказов, можно определить условия работы, при которых гарантируется надежная работа СПП в течение заданного срока службы.

Для классификационных режимов работы характеристики и значения допустимых параметров СПП приводятся в технической документации.

Но во многих применениях условия работы приборов значительно отличаются от классификационных, и разработчик электрооборудования должен сам устанавливать значения параметров, при которых обеспечивается требуемая надежность. Для этого необходимо прежде всего определить электрические характеристики СПП в том диапазоне токов, напряжений и температур, в котором предполагается их использование.

Расплавление и разрушение припоев. При сборке СПП применяются олово и припои типа ПСР-72 и ПОС-61 для соединения кремниевого диска с термокомпенсаторами и вентильного элемента с медными основаниями. Наиболее часто встречающимся дефектом в паяных соединениях является несплошность соединения. В зависимости от условий пайки и применяемой технологии площадь пустот в соединении может достигать 50% от номинальной площади контактной поверхности. Очевидно, что это приводит, прежде всего, к снижению прочности спая.

При циклической нагрузке приборов током, сопровождающейся попеременным нагревом в охлаждение элементов конструкции в широком интервале температур, припои испытывают значительные механические нагрузки. Поэтому снижение прочности спая вызывает пластические деформации припоя на участках с бездефектным соединением элементов и прогрессирующее ухудшение электрического и теплового контакта, вплоть до вывода прибора из строя.

Развитию этого механизма отказа способствует также возникновение локальных областей с повышенной температурой, обусловленное искажением линий токов из-за наличия дефектов в спае и значительным увеличением плотности тока на отдельных участках. В режимах импульсной токовой перегрузки приборов местное повышение температуры может приводить к частичному расплавлению припоя, рекристаллизации и, следовательно, постепенному старению его.

Процесс старения припоев развивается и в случае, когда соединение выполнено идеально. В процессе термоциклирования из-за неидентичности коэффициентов линейного распределения соединяемых элементов (кремний-вольфрам, вольфрам-медь) припой подвергается периодически меняющимся механическим нагрузкам и в осевом и в радиальном направлении.

Положение осложняется еще и тем, что соединяемые элементы неодинаково нагреваются. В частности, кремний, где происходит основное тепловыделение, при коротких импульсах тока из-за малой теплоемкости нагревается до существенно большей температуры, чем термокомпенсатор. Поэтому для данного режима критическим фактором является не абсолютная температура нагрева, а разность между температурами спаянных элементов конструкции.

Таким образом, число циклов нагрева и охлаждения, которое выдерживает паяное соединение до разрушения, зависит от многих факторов: качества спая, определяющего собственную его механическую прочность, распределения дефектов, физических характеристик материалов, из которых изготовлены соединяемые элементы, режима нагрузки прибора током и др.

Усталостное повреждение кремниевой структуры. Причины и механизм развития усталостного разрушения кремния те же, что и рассмотренные выше. Но кремний является очень хрупким материалом, для него характерно малое сопротивление к сдвиговым или растягивающим усилиям. Но этому даже ослабленные термокомпенсатором механические напряжения, возникающие из-за неодинакового теплового расширения медного основания в кремния, приводят к постепенному разрушению последнего. Вероятность повреждения кремния по этой причине увеличивается с увеличением диаметра прибора, так как при этом возрастают напряжения на периферии кремниевого диска.

Разрушение кремния, проявляющееся в виде трещин или расслоений, может происходить и при воздействии разовой перегрузки прибора током. Особенно важным является предупреждение возможности возникновения такого рода повреждений, когда по условиям работы СПП находится до протекания тока перегрузки при низкой температуре и элементы его конструкции уже подвержены воздействию значительных механических напряжений.

Шнурование прямого тока. Этот вид повреждения СПП возникает из-за чрезмерного разогрева кремниевой структуры, в результате чего создаются условия для локализации тока в небольшой области. Этот процесс завершается локальным проплавлением кремния. Заметим, что амплитуда и длительность допустимого тока перегрузки, при которых исключается процесс шнурования тока, определяются не разностью температур, а максимальной температурой кремния при протекании им пульса тока. Особенно опасным в отношении возможности проявления шнурования тока является превышение допустимых значений (di/dt) crit при включении приборов.

1.4 Области применения СППА

Сверхбыстродействующие аппараты с искусственной коммутацией, обладающие высокой токоограничивающей способностью, используются в фидерных цепях в качестве автоматических выключателей для защиты ответственных энергопотребителей, а также для обеспечения многоступенчатой селективной защиты сетей. Опыт эксплуатации таких выключателей показывает, что максимальное время перерыва питания при трехступенчатой защите не превышает 0,1с. При использовании для этих целей контактных выключателей оно составляет 0,3 — 0,4 с.

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 ц = 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 ф до 10 мс.

В режиме редких коммутаций ток включения и отключения контактора увеличивается до 4 при 1,1 и ф = 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 элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом.

Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных — силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото — и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 2.2.

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.

2.1.3 Тиристор

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости (рис. 2.6).

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).

Тиристор имеет нелинейную вольтамперную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Рис. 2.7 Буквенные обозначения для тиристоров.

Условное обозначение тиристора.

Рис. 2.8 Условное обозначение тиристора.

Устройство

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 2.9 Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Рис. 2.9 Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n-структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

2.2 Современные разработки силовых полупроводниковых приборов

2.2.1 Тиристор GTO

Устройство

Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическая четырёхслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 2.10приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) выключаемого тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод K, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоёв с n — и р-проводимостями. [5]

Рис. 2.10. Запираемый тиристор:

а — условное обозначение;

б — структурная схема

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределённые сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.

Основное исполнение тиристоров GTO таблеточное с четырёхслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло — и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.

2.2.2 Тиристоры GCT

В середине 90-х годов фирмами «ABB» и «Mitsubishi» был разработан новый вид тиристоров GateCommutatedThyristor (GCT). Собственно, GCT является дальнейшим усовершенствованием GTO, или его модернизацией. Однако, принципиально новая конструкция управляющего электрода, а также заметно отличающиеся процессы, происходящие при выключении прибора, делают целесообразным его рассмотрение.

GCT разрабатывался как прибор, лишённый недостатков, характерных для GTO, поэтому сначала необходимо остановится на проблемах, возникающих при работе GTO.

Основной недостаток GTO заключается в больших потерях энергии в защитных цепях прибора при его коммутации. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике тиристоры GTO коммутируются с частотой не более 250−300 Гц. Основные потери возникают в резисторе RВ при выключении тиристора Т и, следовательно, разряде конденсатора СВ.

Конденсатор СВ предназначен для ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt при выключении прибора. Сделав тиристор не чувствительным к эффекту du/dt, создали возможность отказаться от снабберной цепи (цепи формирования траектории переключения), что и было реализовано в конструкции GCT.

Особенность управления и конструкции

Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение, которое достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, что делает прибор не чувствительным к эффекту du/dt. GCT в фазах включения, проводящего и блокирующего состояния управляется также, как и GTO. При выключении управление GCT имеет две особенности: ток управления Ig равен или превосходит анодный ток Ia (для тиристоров GTO Ig меньше в 3 — 5 раз); управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления dig/dt, равной 3000 А/мкс и более (для тиристоров GTO значение dig/dt составляет 30−40 А/мкс). На рис. 2.11 показано распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении прибора. Как указывалось, процесс включения подобен включению тиристоров GTO. Процесс выключения отличен. После подачи отрицательного импульса управления (-Ig) равного по амплитуде величине анодного тока (Ia), весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход j3 (между областями p и n). Переход j3 смещается в обратном направлении, и катодный транзистор npn закрывается. Дальнейшее выключение GCT аналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнего ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt и, следовательно, допускает отсутствие снабберной цепочки.

Рис. 2.11. Распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении

Изменение конструкции GCT связано с тем, что динамические процессы, возникающие в приборе при выключении, протекают на один — два порядка быстрее, чем в GTO. Так, если минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления при выключении GCT составляет 3000 А/мкс, GTO — не превышает 40 А/мкс.

Чтобы обеспечить высокую динамику коммутационных процессов, изменили конструкцию вывода управляющего электрода и соединение прибора с формирователем импульсов системы управления. Вывод выполнен кольцевым, опоясывающим прибор по окружности. Кольцо проходит сквозь керамический корпус тиристора и контактирует: внутри с ячейками управляющего электрода; снаружи — с пластиной, соединяющей управляющий электрод с формирователем импульсов.

2.2.3 Тиристоры IGCT

Благодаря концепции жёсткого управления (тонкое регулирование легирующих профилей, мезатехнология, протонное и электронное облучение для создания специального распределения контролируемых рекомбинационных центров, технология так называемых прозрачных или тонких эмиттеров, применение буферного слоя в n — базовой области и др.) удалось добиться значительного улучшения характеристик GTO при выключении.

Следующим крупным достижением в технологии жёстко управляемых GTO (HD GTO) с точки зрения прибора, управления и применения стала идея управляемых приборов базирующихся на новом «запираемом тиристоре с интегрированным блоком управления (драйвером)» (англ. IntegratedGate-CommutatedThyristor (IGCT)). Благодаря технологии жёсткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем, т. е. до физических возможностей кремния. Не требуется никаких защитных цепей от превышения du/dt. Сочетание с улучшенными показателями потерь мощности позволило найти новые области применения в килогерцовом диапазоне. Мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO, в основном за счёт прозрачной конструкции анода.

Новое семейство приборов IGCT, с монолитными интегрированными высоко мощными диодами было разработано для применения в диапазоне 0,5 — 6 МВ*А. При существующей технической возможности последовательного и параллельного соединения приборы IGCT позволяют наращивать уровень мощности до нескольких сотен мегавольт — ампер.

При интегрированном блоке управления катодный ток снижается до того, как анодное напряжение начинает увеличиваться. Это достигается за счёт очень низкой индуктивности цепи управляющего электрода, реализуемой за счёт коаксиального соединения управляющего электрода в сочетании с многослойной платой блока управления. В результате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока 4 кА/мкс. При напряжении управления UGK=20 В. когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходит в блок управления, который имеет в этот момент низкое сопротивление. За счёт этого потребление энергии блоком управления минимизируется.

Работая при «жёстком» управлении, тиристор переходит при запирании из p-n-p-n состояния в p-n-p режим за 1 мкс. Выключение происходит полностью в транзисторном режиме, устраняя всякую возможность возникновения триггерного эффекта.

Уменьшение толщины прибора достигается за счёт использования буферного слоя на стороне анода. Буферный слой силовых полупроводников улучшает характеристики традиционных элементов за счёт снижения их толщины на 30% при том же прямом пробивном напряжении. Главное преимущество тонких элементов — улучшение технологических характеристик при низких статических и динамических потерях. Такой буферный слой в четырёхслойном приборе требует устранения анодных закороток, но при этом сохраняется эффективное освобождение электронов во время выключения. В новом приборе IGCT буферный слой комбинируется с прозрачным анодным эмиттером. Прозрачный анод — это p-n переход с управляемой током эффективностью эмиттера.

Для максимальной помехоустойчивости и компактности блок управления окружает IGCT, формируя единую конструкцию с охладителем, и содержит только ту часть схемы, которая необходима для управления непосредственно IGCT. Как следствие, уменьшено число элементов управляющего блока, снижены параметры рассеяния тепла, электрических и тепловых перегрузок. Поэтому, также существенно снижена стоимость блока управления и интенсивность отказов. IGCT, с его интегрированным управляющим блоком, легко фиксируется в модуле и точно соединяется с источником питания и источником управляющего сигнала через оптоволокно. Путём простого размыкания пружины, благодаря детально разработанной прижимной контактной системе, к IGCT прилагается правильно рассчитанное прижимное усилие, создающее электрический и тепловой контакт. Таким образом, достигается максимальное облегчение сборки и наибольшая надёжность. При работе IGCT без снаббера, обратный диод тоже должен работать без снаббера. Эти требования выполняет высокомощный диод в прижимном корпусе с улучшенными характеристиками, произведённый с использованием процесса облучения в сочетании с классическими процессами. Возможности по обеспечению di/dt определяются работой диода (см. рис. 2.12).

Рис. 2.12. Упрощенная схема трёхфазного инвертора на IGCT

Основной производитель IGCT фирма «ABB». Параметры тиристоров по напряжению U_DRM: 4500 В, 6000 В; по току ITGQM: 3000 А, 4000 А.

2.2.4 Транзисторы IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — InsulatedGateBipolarTransistors) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис. 2.13 приведено условное обозначение IGBT.

Рис. 2.13. Условное обозначение IGBT

Рис. 2.14. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2.14. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления — выводом G (затвор).

Схематичный разрез структуры IGBT показан на рис. 2.15, а. Биполярный транзистор образован слоями p+ (эмиттер), n (база), p (коллектор); полевой — слоями n (исток), n+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Слои p+ и p имеют внешние выводы, включаемые в силовую цепь. Затвор имеет вывод, включаемый в цепь управления. На рис. 2.19, б изображена структура IGBT IV поколения, выполненного по технологии «утопленного» канала (trench-gatetechnology), позволяющей исключить сопротивление между p-базами и уменьшить размеры прибора в несколько раз.

Рис. 2.15. Схематичный разрез структуры IGBT: а-обычного (планарного); б-выполненного по «trench-gatetechnology»

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n — канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

2.2.5 Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом). Принцип работы этого типа полевого транзистора, как полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

Рис. 2.16.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора — MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа — со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N-каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N⁺-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N⁺-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Рис. 2.17.

2.3 Функциональные параметры СПП