Силовые полупроводниковые приборы

Силовые полупроводниковые приборы, предназначены для работы в качестве мощных преобразователей электроэнергии на транспорте, в различных промышленных установках, системах энергоснабжения и др. Широко применяются в электроприводах, тяговых установках электроподвижного состава, на подстанциях ЛЭП, в электрохимических установках, мощных радиопередающих устройствах и т. д.

Современные силовые полупроводниковые приборы (как правило, кремниевые) условно разделяют на 2 основные группы. К приборам 1-й группы относятся мощные полупроводниковые диоды (выпрямительные диоды, стабилитроны) и тиристоры; к приборам 2-й группы – полевые и биполярно-полевые транзисторы, изготовляемые на основе микроэлектронных технологий.

В диапазоне мощностей от десятков МВт и выше основным силовым прибором является высоковольтный тиристор (ВТ); его полупроводниковая структура состоит из четырёх расположенных друг над другом слоёв кремния с чередующимся типом проводимости, которые образуют три p–n-перехода: два крайних – эмиттеры – смещены в прямом (проводящем) направлении, а центральный – коллектор – в обратном, или запорном (блокирует приложенное к прибору напряжение).

Для переключения ВТ в цепи база – катод пропускается короткий импульс тока, сопровождающийся инжекцией электронов в р-базу. Основной недостаток прибора – невозможность его выключения импульсом обратного тока в управляющей цепи; достоинства, определяющие его область применения (сверхмощные преобразователи в ЛЭП постоянного тока, вставки постоянного тока между энергосистемами, статические компенсаторы реактивной мощности и др.), – малое остаточное напряжение при большой плотности прямого тока и большом рабочем напряжении, высокая перегрузочная способность. Допустимые рабочие токи и напряжения составляют более 5 кА и 6 кВ соответственно.

В диапазоне мощностей от единиц до десятков МВт, как правило, применяется запираемый тиристор (ЗТ) с интегрированным блоком управления (международное название IGCT – Integrated Gate-Commutated Thyristor). Катодный n+– p-эмиттер этого прибора состоит из нескольких тысяч полос, полуширина которых примерно равна ширине области первоначального включения.

При такой геометрии выключающий импульс управляющего тока воздействует на всю включённую область эмиттерной полоски, прерывая инжекцию электронов и приводя тем самым к выключению прибора. В современных IGCT, как правило, используется «жёсткое» выключение: выключающий импульс тока имеет амплитуду, сравнимую с силовым током, и малое время нарастания (доли мкс); основные параметры – рабочий ток до 6 кА, рабочее напряжение 6 кВ.

При мощностях до единиц МВт и частотах от десятков Гц до десятков кГц (область наиболее массового потребления электроэнергии) обычно используют биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor), выполненный в виде интегральной схемы из сотен тысяч элементарных транзисторных ячеек на одном чипе. Конструкция элементарной ячейки состоит из высоковольтного биполярного p⁺–N⁺–N^––p⁺-транзистора и полевого N⁺–p–N^–-транзистора с индуцированным (инверсным) каналом, включённого в цепь управления.

При подаче положительного смещения на затвор полевого транзистора формирующийся в р-слое инверсный n-канал замыкает N⁺-исток с N^–-слоем. Электронный ток, протекающий в этой цепи, служит током управления биполярного p⁺–N⁺–N^––p⁺-транзистора, через который протекает силовой ток. Для выключения к затвору прикладывается отрицательное смещение, что приводит к быстрому исчезновению инверсного канала и обрыву базового тока биполярного транзистора.

Важные достоинства IGBT – малая потребляемая мощность в цепи управления и высокое быстродействие. Характерный размер элементарной ячейки 10–15 мкм; рабочий ток чипа до 50–70 A (параллельное соединение чипов позволяет создавать IGBT-модули на ток до нескольких кА).

Преобразователи мощности ниже 1 МВт базируются в основном на полевых МОП-транзисторах (MOSFET – Metal oxide semiconductor field effect transistor), также выполненных в виде сверхбольшой интегральной схемы. Рабочее напряжение таких силовых полупроводниковых приборов обычно не превышает 500 В, рабочий ток – от единиц до сотен А, диапазон частот – до сотен МГц.