Силовые электронные ключи – Современная электроэнергетика

Электронным ключом называется устройство для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, содержащее по крайней мере один управляемый вентильный прибор (вентиль) — электронный прибор, проводящий ток в одном направлении. На основе двух или более вентильных приборов были созданы двунаправленные ключи, проводящие ток в двух направлениях. Термин «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электрической энерг ии, а не потоком информации. К «силовым» приборам принято относить приборы с максимально допустимым значением среднего тока свыше 10 А или импульсным током свыше 1000 А. В настоящее время функции силовых электронных ключей выполняют силовые полупроводниковые приборы, физической основой которых являются полупроводниковые структуры с различными типами электронной проводимости.

Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, конструктивному исполнению, электрическим параметрам, применению и др. Поскольку полупроводниковые приборы являются нелинейными элементами, то их существенными характеристиками являются вольт-амперные характеристики (ВАХ), связывающие значения токов и напряжений прибора в различных режимах его работы.

Статическим режимом работы ключа называется установившийся после переключения режим его работы в одном из следующих состояний: включенном (проводящем) или выключенном (непроводящем). Основной характеристикой ключа в этом режиме является статическая ВАХ. В отличие от идеального ключа (рис. 12.1) ВАХ реального ключа в прово-

Рис. 12.1. Идеальный ключ:

а — условное обозначение ключа; б — статическая ВАХ

дящем состоянии имеет прямое падение напряжения Аг/_?, а в непроводящем — пропускает остаточный ток /₅ (прямой или обратный). На рис. 12.2, а приведена статическая ВАХ ключа с односторонней проводимостью прямого тока, например полупроводникового диода. В общем случае она описывается аналитическими уравнениями. Для упрощения анализа цепей, содержащих электронные ключи, ВАХ последних аппроксимируются более простыми математическими функциями (рис. 12.2,6), позволяющими посредством несложных математических преобразований произвести предварительную оценку установившихся электрических параметров цепи, содержащей такие элементы.

На аппроксимированной ВАХ (рис. 12.2,6) начальный участок при прямом напряжении представлен отрезком Аи<;, а углы а_пр и р_пр соответствуют наклону аппроксимированных ВАХ в прямом и обратном направлениях.

Динамические режимы работы ключа называется его работа в процессе перехода из одного состояния (например, включенного) в другое (например, выключенное) и наоборот. Применительно к ключам, рабо-

Рис. 12.2. Пример статических ВАХ полупроводниковых ключей:

а — типовая ВАХ диода; б — аппроксимированная ВАХ диода тающим в электрических цепях, такие процессы называют также коммутационными, так как они соответствуют включению (отключению) цени в электрической схеме или переводу тока из одной ветви электрической схемы в другую.

Одной из основных характеристик работы ключа в динамическом режиме является динамическая ВАХ, которая представляет собой зависимость напряжения на ключе и$ от протекающего в нем тока в переходном процессе. Динамические ВАХ называют также траекториями переключения (коммутации) электронного ключа. Переходные процессы в ключах зависят от быстродействия и параметров элементов электрической цепи.

Статические и динамические ВАХ ключевых приборов позволяют не только оценивать потери в них мощности, но и определять область их безопасной работы.

Диод — полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электрической проводимости: электронной — «-типа и дырочной —//-типа. На границе этих областей возникает электронно-дырочный переход, физические явления в котором позволяют изменять проводимость диода, придавая ему свойства электронного ключа с односторонней проводимостью и неполной управляемостью. Вывод диода со стороны //-области называют анодом (А), а со стороны /7-области — катодом (С) (рис. 12.3). При подключении внешнего источника напряжения к аноду «минусом» относительно катода (такое подключение относительно //-«-перехода называют обратным) состояние равновесия зарядов в диоде нарушается и в диоде протекает небольшой ток /₀. Этот ток слабо зависит от обратного напряжения и_к . Увеличение напряжение и_к приводит к возникновению пробоя, сопровождаемого резким увеличением электрической проводимости диода, и к его возможному разрушению. При подключении к диоду внешнего источника прямого напряжения и_Р («плюс» источника — к //-области, а «минус» — к п- области) напряжение потенциального барьера в электронно-дырочном переходе снижается, в результате в диоде протекает прямой ток г_р.

Скорости спада и нарастания тока в диоде зависят от его конструкции, параметров подключенной цепи и др. Следует отметить, что из-за накоп-

Рис. 12.3. Подключение диод» к внешней цепи:

а — обозначение диода; б — схема подключения напряжения обратной полярности; в — схема подключения напряжения прямой полярности ления диодом в проводящем состоянии избыточных носителей электрических зарядов его выключение сопровождается незначительным по значению и быстро прекращающимся обратным током. Это явление может вызывать на диоде опасные перенапряжения. Одним из распространенных средств борьбы с этим является шунтирование диода демпфирующей ЛС-цепью.

По основным параметрам и назначению диоды принято разделять на три группы: общего назначения, бысгровосстанавливающиеся и диоды Шоттки.

Диоды общего назначения имеют высокие значения обратного напряжения (до 10 кВ) и прямого тока (до 10 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления (выключения) диодов обычно находится в диапазоне 25—100 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой не выше 500 Гц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы достигает 2,5—3 В в приборах высокого напряжения. Диоды общего назначения выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили штыревое и таблеточное исполнения (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Конструкции диодов:

а — штыревая; б — таблеточная

Быстровосстанавливающиеся диоды. При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время их обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3 — 5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Допустимые значения тока составляют от 10 А до 1 кА, обратного напряжения — от 50 В до 3 кВ. Наиболее быстродействующие диоды напряжением до 400 В и током 50 А имеют время обратного восстановления 0,1—0,5 мкс. Такие диоды можно использовать в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и более.

Диоды Шоттки. Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремния /7-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника — положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей заряда — электронов. Диоды Шоттки, таким образом, являются униполярными приборами с одним типом основных носителей заряда. Отсутствие неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления приборов обычно составляет не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения — примерно 0,3 В. Значения обратных токов в этих диодах на 2 — 3 порядка выше, чем в диодах с /;-/7-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений обычно ограничивается 100 В, поэтому диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.

Силовой транзистор — эго электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении, и большинство их типов не выдерживают обратного напряжения.

По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов: биполярные, полевые, среди которых наиболее распространены транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (англ. MOS — metal oxide semiconductor), и биполярные с изолированным затвором (МОПБТ) (англ. IGBT — insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы п-р-п- и р-п-р-типов (рис. 12.5). Среди силовых транзисторов более распространены транзисторы п-р-п-типа. Средний слой структуры таких транзисторов называют базой (В). Внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители, называется эмиттером (?), собирающий носители — коллектором (С). Каждый слой структуры имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.

Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттера и коллектора зависят от значения тока базы, который в схемах электронных ключей является током управления. Следовательно, биполяр-

Рис. 12.5. Структуры и символы биполярных транзисторов:

а — л-р-и-типа; б — р-п-р-типа

ные транзисторы могут рассматриваться как электронные ключи, которые управляются током. Биполярные транзисторы на ток 50 А и более обычно рассчитаны на напряжение менее 600 В и частоту коммутации до 20 кГц. Применение силовых электронных ключей на основе биполярных транзисторов связано с необходимостью больших затрат мощности на их управление и, кроме того, ограничено относительно низкой рабочей частотой.

Полевые транзисторы (МОП-транзисторы). Принцип действия этих транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика обычно используются оксиды, например диоксид кремния БЮ-,.

Различают МОП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Оба типа приборов имеют выводы из структуры транзисторов: сток О, исток 5, затвор С, а также вывод от подложки В, соединяемой обычно с истоком. В зависимости от типа электрической проводимости канала различают также транзисторы с«-и /»-типами каналов. На рис. 12.6 изображены структуры и символы МОП-транзисторов с каналами и-тина. Для снижения сопротивления областей, соединенных с выводами транзистора, их выполняют с повышенным содержанием носителей заряда и обозначают дополнительным верхним индексом, например /7 -типа. В МОП-транзисторах с индуцированным каналом последний образуется только при подаче напряжения соответствующей полярности на управляющий затвор относительно объединенных выводов истока и подложки, т.е. они работают в режиме обогащения носителями зарядов, что позволяет управлять током стока.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток—исток протекает и при отсутствии напряжения на затворе. Для управления этим 422

Рис. 12.6. Структуры и символы МОП-транзисторов с проводящим каналом /1-типа:

а — с индуцированным каналом; б — со встроенным каналом

током на затвор может подаваться напряжение как больше нуля для обогащения канала, так и меньше нуля для его обеднения носителями.

Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются напряжением, а не током. Основные процессы в МОП-транзисгорах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие. Поэтому МОП-гранзисторы называются также униполярными транзисторами.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП-транзисторов сильно зависят от напряжения. Например, при токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В, сопротивление проводящего канала примерно 0,5 Ом, частота коммутации обычно не превышает 100 кГц.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (МОПБТ). Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию МОПБТ. Выполненный в одном кристалле, он имеет низкие значения мощности потерь во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевых транзисторов.

На рис. 12.7 представлены структура, эквивалентная схема и символ МОПБТ с каналом «-типа. Эта структура во многом подобна структуре МОП- транзистора. Принципиальная разница заключается в наличии нижнего слоя с

Рис. 12.7. Структура (я), эквивалентная схема (б) и символ (в) биполярного транзистора с изолированным затвором

проводимостью //-типа, который придает МОПБТ свойства биполярного транзистора.

При отсутствии напряжения на затворе транзистор закрыт. Включение транзистора с каналом п- типа осуществляется подачей положительного напряжения на затвор относительно истока (эмиттера). Коммутируемые токи современных силовых МОПБТ (в модульном исполнении) достигают 1,2 кА при напряжении 3,5 кВ, а частота в зависимости от нагрузки находится в диапазоне 10—100 кГц.

Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более /;-н-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Обычный тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т.е. включаться. Для его выключения необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристор имеет четырехслойную структуру р-п-р-п с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод С (рис. 12.8).

Рис. 12.8. Обычный тиристор:

а — обозначение; б — структура; в — представление в виде двух трехслойных структур; г — эквивалентная схема замещения

Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: р-п-р и п-р-п, эквивалентных биполярным транзисторам. В этом случае ток анода тиристора 1_Л может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных биполярных транзисторов УТ1 и УТ2. Такая схема соединенных трехслойных структур содержит внутренние положительные обратные связи. Увеличение тока управления тиристора /_с приводит к включению транзистора УТ2 и соответственно к увеличению тока базы транзистора УТ1 и его включению. Благодаря положительной обратной связи между этими эквивалентными транзисторами включение тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда ток ограничен сопротивлением нагрузки. При этом ток открытого тиристора должен превышать минимальное значение, удерживающее тиристор в открытом состоянии. Для ускорения включения передний фронт импульса управления должен быть крутым, иметь амплитуду, указанную в технических условиях на применение в конкретных условиях, а длительность импульса зависит от параметров схемы и алгоритма ее работы.

Учитывая неполную управляемость тиристора, различают естественный и принудительный (искусственный) способы выключения. Первый способ используется для выключения тиристора в цепи переменного тока при изменении полярности последнего. Второй способ основан на подключении к выключаемому тиристору источника энергии, способного развить ток, направленный встречно прямому току выключаемого тиристора, обеспечив спадание последнего до нуля, т.е. выключение тиристора. При этом следует отметить, что для восстановления тиристором запирающей способности к напряжению после прохождения прямого тока через нуль необходимо обеспечить паузу длительностью от единиц до сотен микросекунд для восстановления запирающих свойств тиристора в зависимости от его типа. На рис. 12.9 представлен пример схемы принудительного выключения тиристоров в цепи постоянного тока посредством предварительно заряженного конденсатора С_к. После прохождения тока ?_у5 через нуль к тиристору вновь может быть приложено прямое напряжение и_лс в течение времени 1 > / и запирающие свойства тиристора восстанавливаются.

Рис. 12.9. Способ выключения тиристоров

Тиристоры являются электронными ключами большой мощности, способными коммутировать цепи с напряжением до 10 кВ и токами до 10 кА. В то же время частота таких приборов обычно не превышает 1 кГц. Конструктивные исполнения тиристоров и силовых диодов во многом сходны.

Существует большое разнообразие типов тиристоров, весьма различных по своим характеристикам и функциональным возможностям (рис. 12.10). Среди них следует выделить: запираемые тиристоры; быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс);

Рис. 12.10. Типы тиристоров:

а — запираемый тиристор; б — дини- стор; в — диод-тиристор; г — сими- стор; д — оптотиристор

объединенные конструктивно нары встречновключенных тиристоров (сими- сторы, или триаки);

асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен со встречновключенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока;

оптотиристоры, управляемые световым потоком;

диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения.

Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает эффективность их применения. Для устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые по управляющему электроду. Среди них чаще всего выделяют три типа запираемых тиристоров:

запираемый тиристор (англ. GTO — gate turn-off thyristor), переключаемый в открытое состояние и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;

тиристор, переключаемый по управляющему электроду (англ. GCT — gate commutated thyristor), и его разновидность — тиристор, переключаемый по управляющему электроду с интегрированным управлением (англ. IGCT — integrated gate commutated thyristor), отличающийся наличием интегрированной с тиристором схемы управления;

тиристор с нолевым управлением (англ. МСТ — MOS—control thyristor), содержащий два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а второй — аналогично процесс выключения тиристора.

Тиристоры СТО и GCT способны блокировать напряжение до 6 кВ и управлять током 6 кА. При этом GCT превосходит СТО по быстродействию и стойкости к скоростям напряжения и тока. Коэффициент усиления по току управления в GCT равен 1, что в 3 — 5 раз выше, чем в GTO. В то же время длительность тока управления в GCT не превышает 1 мкс.

Тиристоры типа МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа СТО и вСТ в части быстродействия и более простой реализации управления. Современные образцы МСТ показывают способность коммутировать мощности свыше 10 МВт при частоте 10 кГц.