Элементная база электронных устройств силовой электроники

Лекция 1. Введение. Элементная база электронных устройств силовой электроники 1.1. Введение Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и передается посредством трехфазной линии электропередачи стандартной частоты и стандартных номиналов напряжений. Для большинства стран, в том числе и России, промышленная частота f = 50 Гц, величина напряжения U = 220 B или U = 380 B. В некоторых странах: США, Чехия, Словакия и ряде других стран стандартная частота вырабатываемой электроэнергии f = 60Гц. Однако большое количество потребителей в народном хозяйстве требуют для своего питания другой вид электроэнергии:  электрическую энергию постоянного тока (электрический транспорт, электрохимия, электропривод постоянного тока, сварочные агрегаты, питание радиоэлектронной аппаратуры, передача энергии постоянным током и в целом ряде других случаев);  электрическую энергию переменного тока, но не стандартной частоты (постоянной или регулируемой) при первичном источнике переменного напряжения (электропривод переменного тока, индукционный нагрев и т.д.);  электрическую энергию переменного тока, постоянного тока или импульсов специальной формы при использовании в качестве первичного источника- источника постоянного напряжения (энергоснабжение подвижных объектов, устройства гарантированного питания, рекуперация энергии в сеть переменного напряжения и т.д.). Приведенные примеры далеко не полностью охватывают ситуации, когда необходимо преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Примерно 50% всей вырабатываемой электроэнергии на электростанциях преобразуется в другой вид электроэнергии. Поэтому технический прогресс современного общества во многом обусловлен успехами электроники и, в частности, успехами преобразовательной техники. Принцип работы любого статического преобразователя основан на периодическом включении и выключении электронных ключей (вентилей) в определенной последовательности (по заданному алгоритму). Особое значение имеет принцип запирания электронного вентиля, который определяется видом питающего напряжения. В ряде случаев, включение последующего вентиля преобразователя приводит к автоматическому выключению предыдущего вентиля под действием напряжения питания. Процесс перехода тока от одного вентиля на другой называется процессом коммутации. Если источником коммутирующего напряжения является 2 сеть переменного напряжения, питающая преобразователь, то коммутацию называют сетевой или естественной, а такие преобразователи называют преобразователями ведомыми сетью. Если в качестве источника коммутирующего напряжения используется вспомогательный источник питания, то такую коммутацию называют принудительной или искусственной. В последнем случае могут быть использованы полностью управляемые вентили. 1.2. Основные устройства преобразовательной техники Основные виды устройств изображены на рис.1.1. Вх U Вых Вх силовой U Вых ia Um1 Вх символически Uf1 Вых Uf2 U а U Вх электроники в б Вых Вх U1 Вых Вх U1 Um2 U2 U2 г д е Вых Рис. 1.1 Выпрямителями называют преобразователи переменного напряжения U в постоянное напряжение U (рис. 1.1,а).  Инверторами называют преобразователи постоянного напряжения U в переменное напряжение U (рис. 1.1,б).  Преобразователи частоты, это преобразователи переменного напряжения одной частоты Uf1 в переменное напряжение другой постоянной или регулируемой частоты Uf2 представлены на рис.1.1,в.  Преобразователи числа фаз (рис. 1.1,г) это преобразователь m1 фазного переменного входного напряжения Um1 в переменное напряжение Um2 с другим числом фаз m2.  Трансформаторы (регуляторы) постоянного тока (рис. 1.1,д) это статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение одной величины U1 в постоянное напряжение другой величины U2.  Регуляторы переменного напряжения (рис. 1.1,е) это статические преобразователи, преобразующие переменное напряжение одной 3 величины U1 в переменное напряжение другой величины U2 Существуют и другие виды преобразования электрической энергии: формирователи мощных импульсов для питания лазеров, сигнальных устройств, маяков, получение мощных импульсов электромагнитных полей и т.д. Используя названные типы преобразователей, можно решать различные задачи и создавать преобразовательные установки для питания конкретных потребителей. 1.3. Элементная база устройств силовой электроники Принцип работы любого преобразователя основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В качестве вентиля может использоваться любой из выпускаемых промышленностью приборов, работающих в ключевом режиме. В ключевом режиме на приборе будет выделяться минимальная мощность, что в основном определяет КПД устройства. В случае идеального ключа на этапе его проводящего состояния падение напряжениям на ключе равно нулю. В запертом состоянии отсутствие тока также определяет нулевое значение потери мощности. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые приборы, основные из которых перечислены ниже (рис. 1.2): Диоды, символическое изображение которых и типовая вольт-амперная характеристика показаны на рис. 1.2,а. Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток Iа доп  1А), средней мощности (Iа доп=110А) и большой мощности (Iа доп  10А). По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп  500Гц) и высокочастотные (fдоп  500Гц). Высокочастотные диоды Шотки имеют время восстановления доли микросекунд. Однооперационные тиристоры, символическое изображение которых и вольт-амперная характеристика показаны на рис. 1.2,б. Прибор переходит в проводящее состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Выключить однооперационный тиристор по цепи управления невозможно. Для выключения тиристора необходимо поменять полярность анодного напряжения. Промышленность выпускает тиристоры на допустимые токи сотни ампер и допустимые напряжения единицы киловольт с временем восстановления управляющих свойств от сотен микросекунд до долей микросекунды. 4 ia А ia а К -ua ua -ia А б ia ia уэ А К -ua -ia ua iа А ia в К уэ -ua -ia ia АA уэ г -ua ia К ua -ia К iк Б д Э C ic ic Uз iб4 iб3 iк iб е ua iб2 iб1 uк uз4 uз3 uз2 uз1 -uз uc iк К uз4 ж З uз3 iк uз2 Uз Э uз1 uк Рис. 1.2 5 Двухоперационные тиристоры. Символическое изображение двухоперационного тиристора и вольт-амперная характеристика показаны на рис. 1.2,в. Эти приборы имеют такую же вольт-амперную характеристику, как и однооперационные тиристоры, но их можно закрыть по цепи управления. Аналогичные вольт-амперные характеристики имеют фототиристоры и оптронные тиристоры, где сигнал управления передается по световому лучу. Симисторы, символическое изображение которых и типовая вольт– амперная характеристика показаны на рис. 1.2,г. Эти приборы могут проводить ток в обе стороны, т.е. симистор это ничто иное, как два тиристора, включенных антипараллельно. Биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме показаны на рис.1.2,д. В отличие от двухоперационного тиристора, в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ. Полевые транзисторы, символическое изображение которого и его выходная вольт-амперная характеристика показаны на рис. 1.2,е. Преимущество полевого транзистора по отношению к биполярному транзистору это то, что у полевого транзистора очень большое входное сопротивление, т.е. цепь управления такого прибора практически не потребляет электрической мощности в стационарном режиме, что повышает экономичность преобразователя. IGBT (Insolated Gate Bipolar Transistor-биполярный транзистор с изолированным затвором). Символическое изображение IGBT транзистора и его выходная вольт-амперная характеристика показаны на рис. 1.2,ж. Это наиболее перспективный тип ключевых управляемых приборов. Они представляют собой комбинацию полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу, что позволяет получить электрический ключ на достаточно большие токи при затрате малых мощностей по цепи управления. Тенденция развития элементной базы направлена на унификацию электронных ключей, уменьшения их установленной мощности, снижению потерь и уменьшению мощности управления. 1.4. Полупроводниковые диоды Диодом называется прибор, обладающий проводимостью (вентильными свойствами). односторонней 6 По функциональному назначению диоды делятся на: низкочастотные (выпрямительные), высокочастотные, импульсные, стабилитроны (опорные диоды), светодиоды, фотодиоды и целый ряд других диодов. Для создания полупроводникового прибора, обладающего вентильными свойствами используют p-n переход (потенциальный барьер), образованный при контакте примесных полупроводников с различными типами проводимости (дырочной р и электронной n). Потенциальный барьер может быть образован при контакте собственного (не примесного i- полупроводника) с примесным полупроводником p или n типа, или при контакте металла с полупроводником. IА IА=0 IА IА А К А К - + + - UА UА -UА -IА -IА б) а) Рис.1.3 На рис.1.3,а показаны символическое изображение идеального диода и его вольт-амперная характеристика. При приложении к диоду положительного напряжения (плюсом к аноду А относительно катода К) идеальный диод ведет себя как замкнутый ключ, через который протекает ток, величина которого ограничивается параметрами внешних элементов (величиной напряжения источника питания и сопротивлениями). При этом падение напряжения на диоде (замкнутом ключе) равно нулю. При приложении к диоду обратного напряжения (плюсом к катоду относительно анода) диод ведет себя как разомкнутый ключ, т.е. ток диода в обратную сторону отсутствует. 1.5. Выпрямительные диоды Выпрямительные диоды представляют из себя p-n переход, образуемый на границе между двумя слоями примесных германиевых или кремниевых 7 полупроводников. Внешний вывод от n области полупроводника является катодом диода, а вывод от p области является его анодом. Вольт-амперная (ВАХ) характеристика реального диода показана на рис.1.3,б. Отличие реальной ВАХ от идеальной заключается в следующем: 1. В проводящем состоянии существует некоторое падение напряжения между анодом и катодом диода. 2. При обратной полярности приложенного к диоду напряжения существует небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями p и n областей, называемый тепловым током. Незначительный рост обратного тока объясняется наличием токов утечки между слоями полупроводников. 3. При некотором превышении величины обратного напряжения наблюдается резкое увеличение обратного тока, называемое явлением пробоя. ВАХ имеет явно нелинейный характер, что затрудняет расчет электрических схем в составе которых имеются диоды. Поэтому при расчете схем диоды заменяют их эквивалентными схемами замещения. Первая аппроксимация: если напряжение питания в схеме значительно превышает прямое падение напряжения на диоде и прямой ток значительно превышает обратный ток диода, то диод можно считать идеальным, т.е. в открытом состоянии сопротивление диода можно считать равным нулю, а в закрытом состоянии электрическую цепь, содержащую диод, можно считать разорванной. Вторая аппроксимация: Величина потенциального барьера при комнатной температуре для германиевых и кремниевых приборов соответственно равны: 0(Ge)=Е0=0,3 B, 0(Si)= Е0=0,7 B. IА IА IА -UА А К UА+ - = А К + Е0 -IА Е0 а) б) Рис.1.4 Пренебрегая некоторой зависимостью падения напряжения на диоде от тока диода, ВАХ диода можно представить на проводящем участке как 8 вертикальную линию, отстоящую от оси ординат на величину Е0 (рис.1.4,а). Эквивалентная схема замещения проводящего диода показана на рис.1.4,б. Из схемы замещения следует, что при положительном анодном напряжении через диод начинает протекать ток когда анодное напряжение превысит некоторое пороговое напряжение Е0, зависящего от материала из которого сделан диод. При отрицательном анодном напряжении можно считать, что ключ разомкнут и обратный ток диода равен нулю. Третья аппроксимация. При более точных расчетах, особенно при использовании низковольтных источников питания в сильноточных цепях, необходимо учитывать изменение напряжения на диоде при изменении его анодного тока. IА IА IА IА А -UА Е0 + UА UА К - = rдиф А К + Е0 -IА б) а) Рис.1.5 Эта зависимость учитывается введением в эквивалентную схему замещения (рис.1.5,б) внутреннего дифференциального сопротивления диода rдиф= UА/IА. ВАХ диода аппроксимируется двумя прямыми линиями: касательной к возрастающему участку ВАХ и горизонтальным отрезком от нуля до точки пересечения с касательной (рис.1.5,а). Котангенс угла наклона касательной и определяет величину внутреннего динамического сопротивления диода. Чтобы прибор не выходил из строя в процессе эксплуатации, в справочниках приводятся допустимые параметры для каждого типа полупроводниковых приборов. Для выпрямительных диодов основными параметрами являются следующие:  Iпр ср max — максимально допустимое среднее значение прямого тока. Среднее значение прямого тока определяет тепловой режим полупроводникового прибора, т.к. на интервале проводимости диода на нем выделяется мощность и он нагревается, а на интервале 9 запертого состояния диод остывает. Поэтому среднее значение тока, протекающего через диод, будет определять температуру кристалла прибора.  Uобр max — максимально допустимое обратное напряжение – значение обратного напряжения, которое может выдержать в течение длительного времени без пробоя.  Uпр ср — среднее значение падения напряжения на диоде при заданном среднем значении прямого тока.  Iобр max — максимальное значение обратного тока диода.  rдиф — дифференциальное сопротивление диода.  Рср — среднее значение рассеиваемой мощности прибором за период при протекании прямого и обратного тока. Помимо основных параметров в справочниках приводятся и другие параметры, такие как: допустимая температура полупроводникового кристалла, допустимые перегрузки, значение внутренней емкости и т.д. 1.6. Кремниевые стабилитроны Полупроводниковые стабилитроны это биполярные диоды, используемые для стабилизации напряжения или для получения опорного напряжения. В режиме стабилизации используются участки ВАХ диода, где напряжение мало зависит от тока. Как правило это участок пробоя диода при приложении к нему обратного напряжения. Типы пробоя диода. Различают два основных типа пробоя: 1. Тепловой пробой. 2. Электрический пробой. Рассмотрим механизм теплового пробоя. При увеличении обратного напряжения увеличивается мощность, выделяемая в диоде P = Uобр  Iобр, что приводит к росту температуры кристалла. Повышение температуры полупроводника способствует образованию новых электронно–дырочных пар, а значит, к увеличению дрейфовой составляющей тока неосновных носителей. Это опять приводит к увеличению выделяемой мощности, а значит и температуры. Процесс генерации новых электронно-дырочных пар развивается лавинообразно, происходит тепловой пробой диода, при котором увеличение обратного рока диода происходит при уменьшении обратного напряжения (рис1.6,б). Прибор выходит из строя. При электрическом пробое увеличение обратного тока происходит почти при постоянном обратном напряжении. В этом случае прибор не выходит из строя, если не превысить допустимую мощность, выделяемую на стабилитроне. В противном случае наступит тепловой пробой. 10 IА а) Uст0 -UА б) UА Uст К А + - Iст min Iст Iст К Iст max в) -IА + Uст0 rдиф А - Рис.1.6 Вольт – амперная характеристика стабилитрона его условное обозначение и эквивалентная схема замещения показаны на рис.23,а,б,в. В зависимости от концентрации примеси в кремнии напряжение пробоя (стабилизации) лежит в пределах 2  200 В. Рабочий участок стабилитрона находится на обратной ветви линейной части ВАХ между токами Iст min и Iст max. Также как и для диодов, при анализе и расчете электронных схем используют эквивалентную схему замещения стабилитрона. Как следует из ВАХ, рост тока стабилитрона начинается при превышении напряжения Uст0 соответствующего току Iст min. Увеличение тока стабилитрона сопровождается небольшим ростом напряжения. Это объясняется наличием внутреннего сопротивления прибора. В эквивалентной схеме замещения это учитывается введением дифференциального сопротивления стабилитрона rдиф =  Uст / Iст, где  Uст — приращение напряжения на линейном участке ВАХ стабилитрона, соответствующее изменению тока  Iст. В большинстве случаев пренебрегают изменением напряжения на рабочем участке стабилитрона, в этом случае rдиф = 0. Основные параметры стабилитронов:  Напряжение стабилизации Uст при определенном токе Iст стабилитрона и при комнатной температуре окружающей среды..  Минимальный ток стабилизации Iст min – минимальный ток линейного участка ВАХ. Iст max – максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая стабилитроном, не превышает допустимую.  Дифференциальное сопротивление рабочего участка стабилитрона rдиф . 11  Температурный коэффициент напряжения стабилизации ст– относительное изменение напряжения стабилизации Uст при изменении температуры окружающей среды на Т. Температурный коэффициент бывает как положительный, так и отрицательный, т.е. напряжение стабилизации может расти с ростом температуры, а может уменьшаться. Это зависит от типа прибора. Изменение напряжения на стабилитроне в функции изменения температуры рассчитывается по следующему соотношению: Uст=UстТст. 1.7. Транзисторы биполярные Транзисторы служат для регулирования величины тока в электрической цепи или для их использования в качестве бесконтактного ключа для подключения нагрузки к источнику питания, или ее отключения. В основе транзистора лежит монокристалл кремния или германия с двумя p-n переходами, что определило название транзистора – биполярный. Таким образом, путем введения примеси в монокристалл, образуется трехслойная структура p-n-p, или n-p-n (рис.1.7,а,в). Схематическое изображение транзисторов p-n-p и n-p-n показано на рис.1.7,б,г). Стрелка показывает направление тока в транзисторах. Внешние слои играют роль эмитера Э и коллектора К. Средний слой называется базой Б. Э p n p К Э n Б а) n p К Б б) в) г) 1.7 Связь токов в транзисторе подчиняется соотношению: IЭ= IК + IБ. Связь между эмиттерным и коллекторным током осуществляется через коэффициент передачи . Следует различать коэффициент передачи между постоянными составляющими коллекторного и эмиттерного тока п и изменяющимися составляющими, который будем обозначать без индекса (). I п  К . IЭ Очевидно, что <1 (п=0,90,99). 12 Коэффициент передачи по переменной составляющей: I  К I Э Характеристики и параметры биполярных транзисторов IЭ IК Rк eг Uвх Uвых Rк + - EБЭа) + - Eк IБ Uвых - IБ eг Eэб IК IК + Uвх б) Uвх Eк Rэ eг - Uвых Eк + EБЭ+ в) Рис.1.8 + Различают три схемы включения транзистора в зависимости от того, какой электрод транзистора является общим по отношению к входному и выходному сигналу по переменной составляющей. Так для схемы рис.1.8,а общей точкой между входным изменяемым сигналом Uвх и выходным сигналом Uвых является база транзистора. Поэтому такая схема включения транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Аналогично схемы включения транзисторов рис.1.8,б и рис.1.8,в называются соответственно схемами включения с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). При определении схемы включения транзистора следует учитывать следующие обстоятельства. Необходимый режим работы транзистора по постоянному току обеспечивается внешними источниками EБ и EК, у которых внутреннее сопротивление, как источников ЭДС, равно нулю. При протекании изменяющейся во времени составляющей тока через эти источники не будет создаваться падение напряжения на их внутренних сопротивлениях. Поэтому при определении схемы включения транзистора необходимо мысленно закоротить все источники постоянного напряжения. При любом способе включения транзистора имеются два контура протекания тока: входного и выходного. Поэтому различают два типа вольт-амперных характеристик транзистора:  Входные характеристики Iвх= f(Uвх).  Выходные характеристики Iвых= f(Uвых). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. 13 Характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером Наиболее распространенным способом включения биполярного транзистора является включение транзистора по схеме с общим эмиттером. IБ IК IБ5 PК доп IКt а) -UБЭ б) IБ4 IБ3 IБ2> IБ1 IБ1 IБ=0 -UКЭ Рис.1.9 Семейство входных характеристик p-n-p транзисторов, включенных по схеме с ОЭ (рис.1.8,б), приведено на рис.1.9,а. Входным током является ток базы, а входным напряжением -UБЭ. Также, как и для схемы включения транзистора с ОБ входной характеристикой транзистора является вольт-амперная характеристика p-n перехода. Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ IК= f(-UКЭ) (при IБ=const) показана на рис.1.9,б. Выразим выходной ток транзистора IК через его входной ток IБ, используя соотношение (22) с учетом, что IЭ= IК+ IБ. I К   п I Э   п (I К  I Б ) . Отсюда: где: IК  п I Б , или 1 п п , п  1  п I К  п I Б , Из соотношения следует, что при включении транзистора по схеме с ОЭ выходной ток IК в раз больше входного тока IБ. В свою очередь п очень сильно зависит от п. Так, если коэффициент передачи п=0,95, то п=19; при п=0,96, то п=24. Таким образом, при изменении  на 1% (как это имеет место в приведенном примере)  изменяется более 26%. Промышленностью выпускаются биполярные транзисторы на большой диапазон токов и напряжений, которые имеют следующие предельно допустимые параметры: UКmax доп=10500 В; IКmax доп=0,0120 А; PКmax доп=0,1530 Вт; п=0,90,99; предельные частоты сотни мегагерц. 14 Основным недостатком биполярных транзисторов является токовое управление выходным током. Особенно, при больших коллекторных токах, в силу уменьшения коэффициента передачи п, требуется иметь достаточно большие токи по цепи управления. Любой транзистор служит для регулирования тока в электрической цепи. Рассмотрим пример. IБ> IБ.нас IК Eк / RК IК Eвх П1 IБ4 Iк.нас RК= RН IБ IБ5= IБ.нас IБ3 EК IБ2= IБП П2 IБ1 UКЭ RБ IБ min IБ=0 IЭ _ П3 Е 0 UК.нас IКt б) а) Eк UКЭ Рис.1.10 В схеме рис.1.10 необходимо регулировать ток в сопротивлении RН нагрузки, включенной в коллекторную цепь транзистора n-p-n. Очевидно, что ток iК в цепи EК- RН- UКЭ- EК равен: E  U кэ . Из выражения следует, что если ток коллектора равен Iк  к Rк нулю, то UКЭ= Eк. Это соответствует точке Eк, находящейся на оси абсцисс выходной характеристики транзистора (рис.1.10,б). Если UКЭ=0, то как это следует из того же выражения, Iк=Eк/Rк. Эта точка находится на оси ординат выходной характеристики транзистора. Соединив полученные две точки на осях координат, получим статическую линию нагрузки. Пересечение линии нагрузки с линиями выходной характеристики, соответствующими различным базовым токам, определяет токи Iк, протекающие через транзистор и нагрузку (проекция точки пересечения на ось ординат) и напряжение между коллектором и эмиттером (проекция точки пересечения на ось абсцисс). Как следует из построения линии нагрузки, угол ее наклона зависит от величины сопротивления Rк . Пространство между крайними точками пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками называют активной областью. В этой 15 области работают все схемы регуляторов напряжения и тока, а также схемы электронных усилителей. В устройствах силовой электроники транзистор всегда работает в режиме ключа: подключает нагрузку к источнику питания или отключает ее. Пересечение линии нагрузки с линиями выходной характеристики в E точке максимального коллекторного тока I кmax  к (минимального Rк коллекторного напряжения) называется точкой насыщения транзистора (точка П1 на рис 1.10,б). Проекцию точки П1 на ось ординат называют током насыщения транзистора Iк. Проекцию точки П1 на ось абсцисс называют напряжением насыщения транзистора UКЭ. нас. Линия базового тока, соответствующая коллекторному току насыщения транзистора называется базовый ток насыщения IБ.нас. Точка пересечения линии нагрузки с выходной характеристикой соответствующей IБ=0 (точка П3 на рис. 10.1,б) называется точкой отсечки. Соответственно коллекторные токи и напряжения, соответствующие запертому состоянию транзистора, называются током и напряжением отсечки. Очевидно, что в режиме отсечки коллекторный ток транзистора соответствует неуправляемому тепловому току IКt. Работа транзистора в режиме насыщения и отсечки используется в качестве электронного ключа. При подаче на базу транзистора управляющего сигнала IБ=0, транзистор не пропускает ток (заперт) и ток нагрузки равен нулю. Практически все напряжение источника питания приложено к транзистору (UКЭ Eк). Через транзистор и нагрузку протекает небольшой тепловой ток. Для обеспечения режима насыщения транзистора необходимо, чтоба базовый ток транзистора был равен или больше IБ.нас. I I Б.нас  К.нас .  1.8. Транзисторы полевые Принцип работы полевых транзисторов основан на изменении (модуляции) сопротивления полупроводникового канала под действием электрического поля. Различают два типа полевых транзисторов:  Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом;  Полевые транзисторы с изолированным затвором. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. 16 Полевой транзистор с управляющим p-n переходом состоит из трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости n-p-n или pn-p (рис.1.11,б). Средний слой является каналом проводимости и имеет два вывода: исток (И) и сток (С). Канал проводимости зажат между двумя p-n переходами. Потенциальный барьер p-n перехода представляет собой область обедненную свободными (подвижными) носителями. Геометрическая ширина обедненного слоя (потенциального барьера) зависит от величины потенциального барьера. Значит, если к p-n переходу приложить отрицательное (запирающее) напряжение, то он расширится, а канал проводимости сузится и его сопротивление увеличится. Внешние области трехслойной структуры (в рассматриваемом примере области p) соединены между собой (рис.1.11,б) и имеют внешний вывод, который называется затвором (З). Символическое изображение полевых транзисторов с n каналом и p каналом показаны на рис.45,г,д соответственно. С С З n + З З p n p С iс И г) p n p + _Е _Е С _ З Ез И а) б) И + И д) в) Рис.1.11 Электрический ток между истоком и стоком транзистора с n-каналом создается свободными электронами, находящимися в канале. При подключении внешнего источника питания E между истоком и стоком плюсом к стоку (рис.1.11,в), свободные электроны начнут двигаться от истока к стоку, образуя сквозной ток (ток стока iс). Ширина канала проводимости, а, значит, его проводимость зависит от величины потенциального барьера. Если затвору сообщить отрицательный потенциал относительно стока (в случае транзистора с n-каналом), то потенциальный барьер увеличится, 17 его геометрический размер расширится, а канал проводимости сузится. В этом случае сопротивление канала проводимости увеличится, а ток стока уменьшится. При некотором отрицательном напряжении затвор- исток ширина канала проводимости настолько сузится, что ток стока становится равным нулю (Iс=0). Напряжение затвор исток при котором Iс=0 называется напряжением затвора отсечки Uз.отс.. Ток стока при нулевом напряжении между затвором и истоком называется током стока насыщения (Iс..нас.). Очевидно, что при приложении напряжения между стоком и истоком, потенциальный барьер между каналом проводимости и затвором будет больше вблизи от стока, чем около стока. Это объясняется тем, что при протекании стокового тока потенциалы точек канала будут неодинаковыми по его длине, возрастая по направлению стока. Поэтому канал проводимости приобретает форму воронки сужением к стоку. iс Iс..нас. Uз0=0 - Uз1 Uз0 - Uз2 Uз1 - Uз3 Uз2 -uзи -Uз.отс uси Рис.1.12 Для полевых транзисторов представляет интерес два семейства вольтамперных характеристик: стоковые (выходные) и стоково-затворные (переходные) характеристики. На рис.1.12 (слева от нуля) показана переходная характеристика полевого транзистора: зависимость тока стока от напряжения на затворе. Закон изменения этой характеристики близок к параболическому и может быть описан ниже приведенной зависимостью: uз 2 iс  I с. нас. (1  ) . U з.отс. Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора с управляемым p-n переходом находятся на рис.1.12 справа от нуля. Вид характеристик примерно такой же, как выходные характеристики биполярного транзистора. Однако, управляющим параметром сквозного (стокового) тока полевого транзистора является входное напряжение uзи, тогда как управляющим параметром сквозного (коллекторного) тока биполярного транзистора является входной базовый ток iБ. 18 Полевой транзистор управляется напряжением, а биполярный транзистор – током. Это основное отличие двух типов транзисторов. Кроме того, у полевого транзистора канал проводимости отделен от затвора p-n переходом, смещенным в обратном направлении. Следовательно, входной ток затвора определяется неосновными носителями перехода, а он весьма мал. Значит, входное сопротивление полевого транзистора много больше входного сопротивления биполярного транзистора. Это вторая существенная особенность полевого транзистора. Степень усилительных возможностей полевого транзистора определяет i крутизна переходной характеристики S  c . Продифференцировав u з приведенноесоотношение получим выражение для определения крутизны переходной характеристики в различных точках.  uз 2  d  I с.нас. (1  )  U ic 2I uз з.отс.   dic S     с.нас. (1  ). u з du з du з U з.отс. U з.отс. Максимальная величина крутизны, как это видно на характеристике рис.46, будет при Uз=0. Тогда: 2I S max   с.нас. , U з.отс. uз S   S max (1  ). U з.отс. МДП транзисторы с встроенным каналом Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют очень большое входное сопротивление, позволяют работать как при отрицательных, так и положительных напряжениях на затворе, а также через прибор можно пропускать значительно большие токи. Различают две разновидности полевых транзисторов с изолированным затвором: 1. Транзисторы с встроенным каналом. 2. Транзисторы с индуцируемым каналом. На рис.1.13,а показана конструкция МДП транзистора с встроенным n каналом. Канал проводимости зажат между слоем p полупроводника, называемым подложкой, и изолятором. Обычно вывод подложки соединяют с истоком в процессе производства прибора или внешним проводом. Металлический контакт затвора отделен от проводящего канала диэлектриком (окислом кремния) Отсюда название прибора МДП: металл, диэлектрик, полупроводник. 19 Сток Сток Подложка n Металл Затвор p Затвор Металл Подложка _ Ес +(-) Исток + г) б) n Оксид Ез Сток Подложка Исток Затвор -(+) Исток д) в) а) Рис.1.13 Наличие диэлектрика в цепи управления делает входное сопротивление прибора практически равным бесконечности. Кроме того, слои металл – диэлектрик- полупроводник (рис.1.13,б,в) можно рассматривать как конденсатор. Если сообщить одной пластине, например, положительный потенциал, то к противоположной пластине будут подтягиваться отрицательные заряды. iс iс Uз=+2 Uз=+1 Iс..нас. -uзи Uз.отс Uз=0 1 Uз=-1 Uз=-2 uси 0 +-uзи 0 а) б) Рис.1.14 Концентрация свободных электронов в n полупроводнике достаточно велика. Предположим, что напряжение между затвором и истоком Uз=0. При приложении напряжения между истоком и стоком, плюсом к стоку в случае МДП транзистора с n каналом, свободные электроны будут двигаться в сторону стока, образуя электрический ток (точка 1 на характеристике рис.1.14,а). Если приложить положительное напряжение между затвором и истоком, то в канал начнут подтягиваться электроны, создавая отрицательный заряд, что приводит к обогащению канала свободными электронами, увеличивая, тем 20 самым, стоковый ток. Очевидно, что чем больше положительное напряжение между затвором и истоком, тем больше будет стоковый ток. При подаче отрицательного напряжения Uз свободные электроны будут выталкиваться из канала проводимости, обедняя его свободными носителями, уменьшая, тем самым, стоковый ток. Выходная характеристика МДП транзистора показана на рис. 1.14,б. Количественные зависимости, связывающие стоковый ток и крутизну с напряжением на затворе такие же, как и для полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Графическое изображение МДП транзисторов с встроенным n и p каналами приведены на рис. 1.13,г,д соответственно. МДП транзисторы с p каналом отличаются тем, что проводимость между истоком и стоком определяется свободными дырками p канала. В этом случае полярность внешних источников необходимо изменить на противоположную. МДП транзисторы с индуцируемым каналом Конструкция МДП транзистора с индуцированным затвором показана на рис.1.15,а. Сток Сток Подложка Металл n Затвор p Затвор Металл Подложка Исток + б) _ Ес + Оксид Ез n Сток Подложка Исток Затвор - Исток а) в) Рис.1.15 Этот транзистор, как и биполярный транзистор, состоит из трехслойной структуры p-n-p или n–p-n. Рассмотрим принцип работы прибора на основе n–p-n структуры. Крайние слои (в данном случае p слои) имеют внешние выводы, называемые истоком и стоком. Вывод среднего слоя называется подложкой. Обычно подложку соединяют со стоком. С другой стороны слой p изолирован слоем окиси кремния от внешнего вывода, называемым затвором. Если напряжение между затвором и истоком будет равно нулю, то при приложении напряжения между истоком и стоком, плюсом к стоку (для структуры n–p-n) 21 ток стока будет отсутствовать. Это объясняется тем, что стоковый p-n переход находится под обратным напряжением, потенциальный барьер весьма высок и через него, как и в случае биполярного транзистора, течет ток неосновных носителей, а он пренебрежимо мал. iс iс Uз=+8 Uз=+6 Iс1. Uз=+4 1 Uз=+2 Uз= Uз.отс Uз.отс Uз1 +uзи uси а) б) Рис.1.16 Если приложить положительное напряжение между затвором и истоком, то в силу эффекта конденсатора из глубины слоя среднего слоя p полупроводника к области затвора будут подтягиваться свободные электроны, образуя тонкий проводящий канал между стоком и истоком. Чем более положительный будет потенциал затвора, тем больше будет ток стока. Переходные и выходные характеристики МДП транзистора с индуцируемым каналом показаны на рис.1.16,а,б соответственно. Переходная характеристика описывается выражением: I c  K (U з  U з.отс. ) 2 , или I c  S (U з  U з.отс. ) где коэффициент K зависит от типа транзистора. В справочнике приводится какое-то значение Iс1 при Uз1 (например, для точки 1 характеристики 1.16,а). Зная Uз.отс, что также является справочной величиной, находится коэффициент K. Далее можно найти стоковый ток для любого напряжения на затворе. Символическое изображение МДП транзисторов с индуцируемым n и p каналами показаны на рис.1.15,б,в соответственно. При эксплуатации МДП транзистора с p каналом полярность внешних источников питания меняется на противоположную (на сток подается отрицательный потенциал относительно истока и на затвор подается отрицательный потенциал относительно истока). Резюмируя все выше изложенное, следует отметить, что: 1. Все полевые транзисторы обладают очень большим входным сопротивлением (десятки и сотни мОм) и работают практически без потребления входного тока. 22 2. Полевые транзисторы с управляемым p-n переходом (с n каналом) работают в обрасти отрицательных напряжений на затворе (рис.1.12). 3. МДП транзисторы с встроенным каналом (с n каналом) работают как в обрасти отрицательных, так и в области положительных напряжений на затворе (рис.1.14,а. 4. МДП транзисторы с индуцируемым каналом (с n каналом) работают в обрасти положительных напряжений на затворе (рис.1.16,а) Такие транзисторы в режиме ключа чаще всего используются в устройствах силовой электроники.. IGBT транзисторы Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор) сочетание биполярного транзистора по выходной цепи и полевого по его входу (рис.1.17, а). Э З (с) iк З К З uз Э Э э а) n2 n1 К б) (и) p1 (к) (э) к (б ) p2 в) Рис.1.17 Биполярный транзистор имеет малое падение напряжения при пропускании значительных токов в ключевом режиме, тогда как полевой транзистор, включенный на входе биполярного транзистора, обеспечивает большое входное сопротивление по цепи управления, что обеспечивает малое потребление мощности от формирователя управляющих сигналов. IGBT транзисторы нашли широкое применение в устройствах силовой электроники. Подача положительного импульса входного сигнала между затвором и истоком полевого транзистора обеспечивает его проводящее состояние. Сток полевого транзистора соединен с базой биполярного транзистора. В этом случае начинает протекать ток по цепи: эмиттер база 23 биполярного транзистора, сток исток полевого транзистора, обеспечивая открывание биполярного транзистора и протекание его тока iк. В приведенной схеме эмиттерный вывод биполярного транзистора играет роль коллектора IGBT транзистора. Символическое изображение IGBT транзистора показано на рис.1.17,б. На рис.1.17,в показана упрощенная структура IGBT транзистора. Cлои полупроводноков p1-n2-p2 образуют выходной p-n-p транзистор. Cлои n1-p1-n2 образуют полевой транзистор с индуцированным каналом. Современные технологии позволяют выпускать IGBT транзисторы на токи сотен ампер и допустимые напряжения нескольких киловольт и рабочие частоты – десятки килогерц. Как видно, на входе рассмотренной структуры стоит полевой транзистор, который наряду с большим входным сопротивлением обладает достаточно большой входной емкостью (тысячи пикофарад). Это обстоятельство предъявляет особые требования к формирователям импульсов управления, т.к. они должны обеспечить ток заряда этих емкостей. 1.9. Тиристоры Тиристор играет роль ключа в электронных схемах. Также как и транзистор, тиристор имеет входную цепь управления и цепь сквозного тока. Однако, если в транзисторе величина сквозного (коллекторного или стокового) тока зависит от наличия и величины входного сигнала, то в случае использования тиристора появление сквозного тока зависит от момента появления управляющего сигнала и не зависит от его длительности и определяется только параметрами внешней цепи. Это объясняется наличием внутренней положительной обратной связи в структуре прибора. А Iвых Iвх ia уэ К а) б) в) г) д) е) Рис.1.18 Тиристоры, которые могут проводить ток только в одном направлении, играют роль управляемого диода. Поэтому, обладая триггерным эффектом, на вход прибора достаточно подать управляющий сигнал в виде узкого 24 импульса включения и нет необходимости поддерживать его на всем этапе проводящего состояния тиристора. Символическое обозначение однооперационного тиристора показано на рис.1.18,а. Типичная вольтамперная характеристика показана на рис.1.19,а. ia E/R 2 Ia Ia R III Iуд IV 1 -ia I _Е уэ iу II -ua + ua E Uпер б) а) Рис1.19 Характеристика имеет четыре отличительных участка:  Участок IV соответствует отрицательному потенциалу анода относительно катода. В этом случае прибор (как и диод) проводить ток не может. Через тиристор протекает маленький обратный тепловой ток. Это соответствует разомкнутому состоянию ключа.  При приложении положительного напряжения между анодом и катодом (плюс на аноде) тиристор также не проводит ток (Участок I вольтамперной характеристики). Это также соответствует разомкнутому состоянию ключа.  При приложении положительного напряжения между анодом и катодом и при наличии импульса управления между управляющим электродом и катодом тиристор начнет пропускать ток (участок III вольтамперной характеристики). Если управляющий сигнал убрать, то тиристор все равно останется в открытом состоянии до тех пор пока анодное напряжение не поменяет знак.  Участок II является переходным участком от открытого к закрытому состоянию тиристора. Промышленностью выпускаются однооперационные тиристоры у которых импульс управления подается между управляющим электродом и анодом. Символическое обозначение такого тиристора показано на рис.1.18,б. 25 Если тиристор можно не только открыть при положительном анодном напряжении путем подачи положительного импульса управления на управляющий электрод, но и закрыть его путем подачи отрицательного импульса управления при положительном анодном напряжении, такой тиристор называется двухоперационный тиристор. Символическое обозначение двухоперационного тиристора показано на рис.1.18,в. Если тиристор не имеет управляющего электрода, то он может быть переведен в открытое состояние, если положительное анодное напряжение превысит некий порог переключения Uпер. Выключится же он также при подаче отрицательного анодного напряжения. Такой тип тиристоров имеет название динистор и обозначается рис.1.18,г. Два тиристора, включенные встречно-параллельно позволяют контролировать момент включения прибора, как при положительном, так и при отрицательном значении питающего напряжения. Такой прибор называется симистор (его обозначение рис.1.18,д). Сочетание светодиода и тиристора, у которого управление осуществляется по световому лучу, называется оптронным тиристором. Обозначение оптронной тиристорной пары показано на рис.1.18,е. Если тиристор включен в электрическую цепь (рис.1.19,б) при положительном напряжении источника питания (плюс на аноде), то E  U АК анодный ток I a  . Используя это соотношение, строится линия R нагрузки по двум точкам: 1. UАК=E при Iа=0; 2. Iа= E/R при UАК=0. Линия нагрузки пересекает вольтамперную характеристику в точках 1 и 2. При отсутствии сигнала управления между управляющим электродом и катодом рабочая точка находится в точке 1, тиристор заперт и практически все напряжение питания прикладывается к тиристору (тиристорный ключ находится в разомкнутом состоянии). При подаче управляющего сигнала в виде узкого импульса, тиристор открывается, напряжение между анодом и катодом уменьшается (точка 2 на вольтамперной характеристике), практически все напряжение питания прикладывается к нагрузке, а ток нагрузки ограничивается только сопротивлением R (тиристорный ключ находится в замкнутом состоянии). Устройство и принцип работы тиристора Тиристор представляет четырехслойную структуру полупроводников с различным типом проводимости p1- n1- p2- n2 (рис.1.19,а). 26 А + -(+) Iа=IЭp p1 p1 А Т2 П1 n1 n1 П2 n1 УЭ IК0n p2 p2 IК0p IКn =αn (IЭn+ iу) p2 П3 IКp =αp IЭp УЭ Т1 К n2 n2 iу Iк=IЭn+ iу +(-) К а) б) - в) Рис.1.19 От крайнего слоя p1 делается анодный вывод тиристора, другой крайний слой n2 является катодом. От слоя p2 делают вывод управляющего электрода. Очевидно, что при отрицательном напряжении на аноде относительно катода внутренние поля p-n переходов П1 и П3 будут складываться, их потенциальные барьеры возрастут и ток основных носителей через p-n переходы будет отсутствовать. Для неосновных носителей суммарные поля p-n переходов П1 и П3 будут оказывать ускоряющее воздействие, но их мало, поэтому, как и в диодах, небольшой обратный ток неосновных носителей весьма мал (участок IV вольтамперной характеристики рис.1.19,а). При подаче положительного напряжения на аноде относительно катода внутренние поля p-n переходов П1 и П3 будут вычитаться, их потенциальные барьеры уменьшатся, но потенциальный барьер перехода П2 возрастет и ток основных носителей через этот p-n переход будет отсутствовать. Поэтому и прямой ток тиристора также будет определятся маленьким током неосновных носителей (тепловым током IК0).Этому режиму соответствует участок I вольтамперной характеристики рис.1.19,а). Значит и при положительном анодном напряжении тиристор заперт. Как видно на рис.1.19б, можно представить как две трехслойных структуры, представляющих из себя два транзистора p1-n1-p2 и n2-p2-n1, соединенных таким образом, что коллектор транзистора p1-n1-p2 является базой транзистора n2-p2-n1, а коллектор транзистора n2-p2-n1 является базой 27 транзистора p1-n1-p2. Схематическое соединение такой структуры показано на рис.1.19,в. При подаче входного напряжения на управляющий электрод тиристора, появится базовый ток транзистора Т1, что приведет к появлению тока IК1=β∙IБ1. Как видно из рис.1.19,в, IК1= IБ1, В свою очередь IК2=β2∙IБ2, а IБ1=IК2. Теперь, если входной сигнал отключить, оба транзистора будут находится в режиме насыщения и транзистор будет откры до тех пор, пока не поменяется полярность анодного напряжения. Параметры тиристоров Различают статические и динамические предельно допустимые параметры тиристоров. К статическим параметрам относятся: Максимально допустимое положительное анодное  напряжение переключения Uпер ( то положительное анодное напряжение при котором тиристор переходит в открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала, смотри рис.1.19,а). Тиристоры по допустимому анодному напряжению делятся на классы. Каждый класс соответствует 100 вольтам. Так тиристор 8-го класса соответствует тиристору с допустимым анодным напряжением 800В. Максимально допустимое отрицательное анодное  напряжение переключения, или напряжение пробоя. Максимально допустимое среднее значение прямого тока  Iaмакс.доп. Среднее значение падения напряжения на тиристоре в  открытом состоянии ∆ Uак. Ток удержания тиристора Iуд (минимальная величина  прямого анодного тока тиристора, при котором прибор переходит в закрытое состояние, рис.1.19,а) Величина теплового тока тиристора (I0 ).  Входная цепь характеризуется необходимыми значениями  тока управления Iупр и напряжения Uупр импульсов управления для перевода транзистора в открытое состояние. Динамические параметры тиристоров:  Время включения тиристора tвкл (время от момента подачи импульса управления до момента снижения напряжения между анодом и катодом и катодом до уровня, соответствующего 0,1 от 28 начального напряжения на запертом тиристоре. (Обычно время включения составляет доли или единицы микросекунд). di  Предельная скорость нарастания анодного тока . В dt современных тиристорах этот параметр достигает значений 10÷100А/мкс. При превышении допустимой скорости нарастания тока происходит локальный перегрев структуры и прибор выходит из строя.  Предельная скорость нарастания анодного напряжения du (десятки и сотни вольт за микросекунду). При превышении dt допустимой скорости нарастания напряжения между анодом и катодом закрытого тиристора прибор самопроизволино открывается при отсутствии управляющего сигнала, что нарушает заданный алгоритм работы тиристорной схемы.  Время восстановления управляющих свойств тиристора tвост. В зависимости от типа тиристора это время составляет от единиц до сотен микросекунд. Для выключения проводящего тиристора к нему необходимо приложить отрицательное напряжение в течение времени tвост. Если это время будет меньше, то тиристор включится при приложении положительного анодного напряжения при отсутствии управляющего сигнала. Это нарушит работу тиристорного устройства. 29