СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

Силовой электроникой называют область науки и техники, которая решает проблему создания силовых электронных приборов, а также проблемы получения значительной электрической энергии, управления мощными электрическими процессами при использовании в качестве основного инструмента электронные устройства.

Наиболее широко используются полупроводниковые приборы.

Для получения электрической энергии в некоторых странах широко используются солнечные элементы. Однако, доля этой энергии в общем объеме электроэнергии невелика. Однако солнечные элементы считаются очень перспективными источниками электрической энергии, не нарушающие энергетический баланс на Земле.

Управление мощными электрическими процессами является именно той проблемой, при решении которой силовые полупроводниковые приборы широко используются, а интенсивность их применения быстро возрастает. Это объясняется достоинствами силовых полупроводниковых приборов, основными из которых являются высокое быстродействие, малое падение напряжения в открытом состоянии и малый ток в закрытом состоянии, высокая надежность, малые размеры и вес, простота в управлении и т.д.

Все эти достоинства привели к тому, что полупроводниковые приборы, а также электронные устройства на их основе постоянно совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение области применения силовой электроники.

Наиболее распространенными типовыми устройствами силовой электроники являются:

- бесконтактные переключающие устройства переменного и постоянного тока;

- выпрямители;

- инверторы;

- преобразователи частоты и т.д.

По существу устройства силовой электроники выполняют преобразование мощных электрических сигналов, поэтому силовую технику называют также преобразовательной техникой.

БЕСКОНТАКТНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (ПРЕРЫВАТЕЛИ)

Эти устройства называют также регуляторами и переключателями. Прерыватели являются сравнительно простыми по схемотехническим решениям и принципам действия, но и эффективными устройствами силовой электроники, позволяющими подключать нагрузку к питающей сети и отключать ее. Основным элементом переключающих устройств является триодный тиристор.

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-п-переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.

Тиристор с двумя выводами называется диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий (управляющий) электрод.

Рис. 14.2. Структура триодного тиристора:

1, 2, 3 – выводы катода, управляющего электрода и анода соответственно

Рис. 14.3. Вольт-амперные характеристики триодного тиристора

Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-п-переходами П₁, П₂, П₃ (рис. 14.2).

При подаче прямого напряжения на тиристор переходы П₁ и П₃ оказываются открытыми, а переход П₂ – закрытым. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все напряжение U_пр приложено к закрытому переходу П₂, имеющему высокое сопротивление. Ток через тиристор определяется процессами ударной ионизации в этом переходе, но он незначителен и тиристор остается закрытым (первая горизонтальная часть ВАХ).

При повышении напряжения U_пр ток в переходе П₂ увеличивается незначительно и тиристор остается закрытым, пока напряжение U_пр не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения U_вкл (рис. 14.3).

При этом напряжении ударная ионизация возрастает, в результате чего происходит увеличение количества носителей заряда в р-п-переходе П₂. Сопротивление перехода П₂ уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на нем и возрастанию тока через тиристор. Увеличение тока через тиристор сопровождается дополнительным переходом (инжекцией) неосновных носителей (дырок) из области p₁ в область n₁ и электронов из области n₂ в p₂ область. Неосновные носители свободно проникают в р-п-переход П₂ и общее количество свободных носителей в переходе возрастает. В результате этого ударная ионизация увеличивается и происходит лавинообразное увеличение носителей заряда в р-п-переходе П₂. Сопротивление перехода П₂еще больше уменьшается. Это приводит к увеличению тока, инжекции неосновных носителей в р-п-переход П₂ и дальнейшему увеличению носителей заряда в результате процесса ударной ионизации. Весь процесс носит лавинный характер и возникает лавинный пробой (вторая горизонтальная часть ВАХ).. Напряжение на тиристоре снижается до значения порядка 0.5 – 1 В. Однако лавинный процесс ионизации в тиристоре при снижении на нем напряжения не прекращается, так как поддерживается большим количеством носителей (большим током). При дальнейшем увеличении ЭДС источника Е или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком ВАХ. Такой пробой не вызывает разрушения перехода П₂. При уменьшении тока высокое сопротивление перехода восстанавливается. Время восстановления сопротивления этого перехода после снятия напряжения обычно составляет 10-30 мкс.

В триодных тиристорах имеется управляющий электрод, подачей напряжения на который можно снизить напряжение U_вкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока и тиристор переходит в открытое состояние. При подаче положительного напряжения на управляющий электрод уменьшается потенциальный барьер р-п-переход П₃, электроны из области n₂ переходят в p₂ область (где они являются неосновными носителями), а оттуда в переход П₂. Увеличение свободных носителей в этом переходе приводит к лавинному процессу ионизации, в результате чего тиристор переходит в открытое состояние.

Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления I_у.вкл – ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние.

Другим параметром является ток удержания I_уд– это такое значение тока при котором открытый тиристор не возвращается самопроизвольно в закрытое состояние.

Из рис. 14.3 видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, т.к. в этом случае закрыты переходы П₁ и П₃. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр тах}.