ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.04.2019
Просмотров: 1596
Скачиваний: 4
6
Рисунок 1 - Классификация силовых полупроводниковых диодов
По внутренней структуре и, следовательно, принципу действия
силовые диоды подразделяются на:
а) диоды на основе р-n-перехода;
б) диоды на основе перехода металл-полупроводник (диоды Шоттки).
В зависимости от максимально допустимой частоты входного напряже-
ния силовые диоды подразделяются на:
а) низкочастотные на основе р-п-перехода (f
max
< 10
3
Гц);
б) высокочастотные на основе р-п-перехода, но дополнительно легиро-
ванные золотом, и диоды Шоттки (f
max
> 10
3
Гц и достигает десятков кГц).
По предельному напряжению силовые диоды подразделяются на:
а) диоды низкочастотные общего применения (на средние напряжения)
на основе р-п-перехода с допустимыми напряжениями до 1 кВ;
б) диоды низкочастотные высоковольтные на основе р-i-п структур с
допустимыми напряжениями до 10 кВ (i — слой собственного полупровод-
ника);
в) диоды высокочастотные (быстровосстанавливающиеся) на средние
напряжения на основе р-п-перехода, но дополнительно легированные золо-
том, с допустимыми напряжениями до 1 кВ;
г) диоды высокочастотные (быстровосстанавливающиеся) низковольт-
ные, на основе перехода металл-полупроводник (диоды Шоттки).
Условные обозначения полупроводников диодов показаны на рисунке
1.
В настоящее время основное применение имеют кремниевые диоды,
германиевые из-за низких допустимых температур практически не выпус-
каются, а арсенидгаллиевые и карбидкремниевые могут работать при более
7
высоких температурах, чем кремниевые, но еще не стали широко приме-
няемыми.
Выпрямительные диоды применяются в основном для построения вы-
прямителей в промышленных сетях переменного тока частотой 50 — 60 Гц.
Выпрямление основано на свойстве р-n-перехода, хорошо пропускать ток в
одном направлении и почти не пропускать его в другом. Таким образом,
выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый
приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут,
при обратном — разомкнут. Такому электронному ключу соответствует
вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального диода (рис. 2 а). Однако в
действительности диод не является идеальным, т.к. во включенном
состоянии на нем падает прямое напряжение порядка 1 — 2 В, а в вы-
ключенном состоянии через диод протекает обратный ток, который мал.
Поэтому ВАХ реального диода отличается от идеальной (см. рис. 2 б)
Рисунок 2 - Вольтамперные характеристики силового диода: идеальная
(а), реальная (б), идеализированная (в) и его схема замещения (г)
При расчетах ВАХ аппроксимируются. Выделяют идеализированную
ВАХ (см. рис. 2. в), которая позволяет учесть потери в проводящем
состоянии, а для закрытого состояния диод считается идеальным (сопротив-
ление равно бесконечности). Согласно идеализированной ВАХ модель диода
в открытом состоянии описывается линейным уравнением
U = U
0
+ I • r
д
,
где U
0
- пороговое напряжение диода; r
д
= ∆U/∆I - дифференциальное
сопротивление в диоде i
a
появляется не мгновенно, а нарастает в течение
времени t
on
. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на
8
диоде U
a
, которое после времени установления прямого сопротивления t
on
становится равным прямому напряжению Up. В момент времени t
1
в цепи
устанавливается стационарный режим, при котором ток нагрузки I
d
= U
m
/R
d
.
В момент времени t
2
входное напряжение U изменяет свою диода во
включенном состоянии.
На рис. 2(г) приведена схема замещения диода при низкой частоте, где
VD - идеальный диод.
Тиристор — это полупроводниковый прибор, содержащий четыре
слоя с разным типом проводимости, способный под действием
управляющего сигнала переходить из закрытого в открытое состояние.
Тиристоры с четырехслойной структурой р-n-р-n имеют три вывода:
анод (А), катод (К) и управляющий электрод (УЭ) (рис. 3 а). Если напря-
жение на аноде по отношению к катоду положительное, то переходы П1 и
П3 смещаются в прямом направлении, а П2 — в обратном.
Рисунок 3 - Структура обычного тиристора (а) и его эквивалентная
схема (б, в)
Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных
трехслойных структур: р—n—р и n—р—n (см. рис. 3 б), эквивалентных
биполярным транзисторам VT1 и VT2 (см. рис. 3 в). Включение тиристора
происходит при наличии между анодом и катодом положительного
напряжения и подаче на его управляющий электрод импульса управления.
Благодаря положительной обратной связи между эквивалентными
транзисторами VT1 и VT2 процесс включения тиристора начинает
лавинообразно развиваться до состояния, когда анодный ток становится
равным значению, определенному сопротивлением нагрузки.
Анализируя процессы в схеме с эквивалентными транзисторами (см.
рис. 3 в), можно убедиться в том, что если произошло включение тиристора
(протекает анодный ток), то прекращение тока управления не приводит к
9
выключению схемы. Это связано с наличием внутренней положительной
обратной связи. Чтобы выключить тиристор нужно уменьшить ток в цепи
анода до малой величины или приложить к нему обратное напряжение.
Таким образом, обычный тиристор — это прибор с неполной управляе-
мостью.
Идеальная статическая выходная ВАХ тиристора представлена на
рисунке 4 а из которой видно, что тиристорный ключ может проводить ток
только в одном направлении, а в закрытом состоянии может выдерживать как
прямое, так и обратное напряжение.
Рисунок 4 - Идеальная (а) и реальная (б) выходные статические ВАХ
тиристора
На рис. 4 б представлено семейство реальных выходных статических
ВАХ при разных значениях тока управления I
У
. Предельное прямое напря-
жение, которое выдерживает тиристор без его включения, имеет макси-
мальные значения при I
У
= 0. Чем больше ток управления, тем при меньшем
напряжении на аноде включается тиристор. Включенному состоянию тири-
стора соответствует ветвь 3, а выключенному — ветвь 1. Процессу включе-
ния соответствует участок 2 ВАХ. При приложении к тиристору обратного
напряжения прибор все время находится в закрытом состоянии (участок 4),
поскольку переходы П1 и П3 находятся под обратным напряжением, а П2
смешен в прямом направлении При увеличении обратного напряжения
10
начинается резкое возрастание обратного тока (участок 5), связанное с
лавинным пробоем тиристора. Участок 5 является запрещенным участком
работы тиристора.
Управляющие импульсы амплитудой Е
У
подаются на управляющий
электрод через резистор R
У
, служащий для ограничения тока. Диаграмма
управления тиристором служит для выбора параметров схемы управления.
Жирными линиями на в показаны границы области существования входных
характеристик соответствующих минимальному и максимальному
сопротивлению управляющего перехода. Заштрихованная область 1 — это
область существования токов управления, при которых тиристор не вклю-
чается при минимальных напряжениях на аноде. Кривые 2 — это гиперболы
постоянной средней мощности, выделяемой на управляющем переходе при
различной относительной длительности импульсов А = (t
И
• 100%)/Т, где t
И
-
время импульса, а Т — период их следования. На диаграмме показаны также
предельно допустимые значения тока и напряжения управления.
По диаграмме управления выбираются значения Е
У
, R
У
и t
И
( А ) , при
которых ток управления 1
У
и напряжение на управляющем электроде и
У
должны находиться внутри разрешенной области. Во время действия управ-
ляющего импульса справедливо уравнение, записанное по второму закону
Кирхгофа для цепи управления
Е
У
= U
У
+ I
У
∙R
У
или U
У
= Е
У
-I
У
∙R
У
.
Уравнение является прямой, которая может быть построена по двум
точкам: если I
У
= 0, то U
У
= Е
У
; если и
У
= 0, то I
У
= Е
У
/R
У
.
При значениях Е
У
, R
У
выбранных на рис. 4 в, не превышаются допус-
тимые величины I
У.ДОП
, U
У
.
ДОП
, а значение А не должно превышать 0,1%.
2 Цель и программа работы
Цель работы - ознакомиться с устройством и принципом действия
силовых электронных устройств.
Программа работы:
1.
Ознакомиться с устройством, назначением и основными
параметрами диодов.
2.
Ознакомиться с устройством, назначением и основными
параметрами тиристоров.
3 Контрольные вопросы
1.
Как классифицируются силовые диоды?
2.
Как выглядит ВАХ силового диода?
3.
Как и зачем идеализируют ВАХ силового диода?
4.
Какие процессы происходят при включении и выключении
диода?
5.
Назовите параметры силовых диодов.
6.
Укажите порядок величин параметров силовых диодов.