1. Свойства и сравнительная характеристика силовых полупроводниковых ключей
Министерство образования и науки РФ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.Туполева – КАИ
________________________________________________________
Цой А.А.
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Учебное пособие
Казань 2013
УДК 621.314.6
Цой А.А. Элементная база электронных преобразователей электроэнергии: Учебное пособие по курсу «Электронные преобразователи электрической энергии»/ Казань: Изд-во Казан.нац. . иссл. техн. ун-та, 2013г., 47с.
Настоящее пособие содержит анализ технических характеристик существующих силовых компонентов для электронных преобразователей электрической энергии. Дается сравнительная оценка и приводятся оценка областей предпочтительного применения рассматриваемых типов полупроводниковых приборов.
Пособие предназначено для студентов электроэнергетических профилей изучающих дисциплины в области силовых электронных преобразователей при проработке теоретического материала, а также в учебном и практическом проектировании электронных преобразователей электроэнергии.
Табл. 1 , Ил. 25, Библиогр. 17.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1.СВОЙСТВА И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КЛЮЧЕЙ
1.1. Силовые полупроводниковые диоды
1.2. Биполярные транзисторы
1.3. МОП транзисторы
1.4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором -IGBT .
1.5. Тиристоры
1.6. Конструктивное особенности силовых полупроводниковых ключей
2.СРАВНЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
3.СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МОДУЛИ
3.1. Простые силовые модули
3.2. Интеллектуальные силовые модули
3.3. Схемы управления силовыми модулями
4. ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КЛЮЧЕЙ
4.1. Потери в силовых ключах
4.2. Тепловой расчет силовых ключей.
БИЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря своим преимуществам полупроводниковые преобразователи вытеснили другие типы преобразования электрической мощности. В результате они получили широкое применение в промышленной, транспортной и бытовой технике. Известно применение электроники в регулировании технологических процессов в химии, электрохимии, цветной и черной металлургии, в электротермии, в системах электроснабжения железнодорожного, горнорудного и городского транспорта и подъемных механизмов, в авиации, станкостроении, в высоковольтных линиях постоянного тока, в сварочном оборудовании, устройствах бесперебойного питания, зарядных устройствах аккумуляторных батарей и т.п. Одной из важнейших областей применения полупроводниковых преобразователей является управление электродвигателями постоянного и переменного тока для различных электроприводных систем. Особо следует указать область применения электронных преобразователей во вторичных источниках электропитания.
Абсолютное большинство зарубежных и отечественных производителей работающих в этой области сегодня выпускает электронные преобразователи для частотно-токового управления асинхронными двигателями практически во всем мощностном диапазоне. Максимум преобразуемых мощностей достигает тысяч киловатт. Элементной базой таких преобразователей служат силовые электронные ключи в дискретном или модульном исполнении. На малых и средних мощностях электронные ключи интегрируются со схемой управления, образуя интеллектуальные модули.
Что касается современных источников вторичного электропитания, то они имеют сложную архитектуру. Основное преобразование питающих напряжений в них осуществляется также в ключевом режиме. Усложнение структуры позволяет достичь оптимальных технико-экономических показателей. Но это возможно только благодаря высокотехнологичной элементной базе.
Современный рынок мощных полупроводниковых приборов насыщен разнообразными видами биполярных и полевых транзисторов и тиристоров. Постоянно появляются новые полупроводниковые компоненты, полученные на основе новых принципов и технологий. Совершенствуются уже существующие приборы. Многообразие рынка и ограниченно коммерческий характер информации затрудняет их эффективное применение.
В предлагаемом пособии представлен материал для теоретического изучения и использования в учебном и практическом проектировании при решении задач выбора элементной базы разрабатываемых преобразовательных устройств. Рассмотрены структурные особенности, характеристики и свойства биполярных и МОП транзисторов, транзисторов с изолированным затвором ,тиристоров и модулей на основе этих приборов.
Приводится их сравнительная характеристика таким определяющим параметрам как предельные коммутируемые ток и напряжение, прямое падение напряжения и быстродействие.
В основе представленного материала использованы публикации в научных журналах [1-12] и информация предоставляемой производителями и дилерами в ИНТЕРНЕТ.
1.СВОЙСТВА И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КЛЮЧЕЙ
Прогресс в области полупроводниковых технологий, а также нарастающая потребность в электронном преобразовании электрических мощностей определили бурное развитие компонентов силовой электроники. Сегодня здесь, наряду с традиционно применяемыми элементами, такими как диоды, триодные тиристоры - Silicon Controlled Rectifier (SCR), биполярными и полевыми транзисторами, успешно применяются относительно новые, но уже хорошо известные биполярные транзисторы с изолированным затвором -Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), запираемые тиристоры - Gate Torn-Off (GTO) и другие. Причем эксплуатационные параметры как уже известных, так и новых приборов постоянно совершенствуются. Кроме того, на их основе создаются новые полупроводниковые приборы. Во многих случаях разные типы приборов конкурируют между собой по областям применения. Специалисту, использующему эти приборы в силовых электронных преобразователях, важно быть хорошо знакомым с их достоинствами и недостатками для их эффективного использования.
Основными характеристиками электронных преобразователей электроэнергии являются его входные номинальные напряжение, частота и мощность, показатели качества выходного напряжения, коэффициент мощности, потери и коэффициент полезного действия, размеры, масса, надежность, стоимость, а также мощности необходимые для управления ими. Эти характеристики системы зависят не только от схемного или алгоритмического решения, но и в первую очередь от используемой элементной базы. В абсолютном большинстве случаев силовые полупроводниковые приборы работают в ключевом режиме. Исходя из этого, в качестве критериев для сравнительной оценки компонентов силовой электроники применяются следующие параметры:
- максимально-допустимое значение коммутируемого напряжения Umax;
- максимально-допустимое значение силы коммутируемого тока Imax ;
- падение напряжения во включенном состоянии ΔUmax;
-быстродействие (в форме максимальной частоты коммутации fmax , времени включения\выключения и др.)
В настоящее время мировыми и отечественными производителями выпускаются полупроводниковые приборы для силовой коммутации в диапазоне коммутируемых токов до тысяч ампер и напряжений до десятков киловольт. Преобладающими на современном рынке электронных компонентов для силовой электроники являются следующие типы полупроводниковых приборов:
- силовые биполярные транзисторы;
- МОП транзисторы (MOSFET);
- тиристоры разных видов;
- биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) -IGBT.
Каждый из упомянутых типов приборов отличаются по своим предельным и экономическим характеристикам. Таким образом, каждый из них имеет свою предпочтительную область применения. Области применения перечисленных приборов, как правило, перекрываются. В связи с этим для оптимального применения элементов важны знания свойств и характеристик каждого из них.