Запираемых тиристоров

В зависимости от типа применяемых в силовой части полупроводниковых приборов различают ИП: на полностью управляемых вентилях (транзисторах и запираемых тиристорах); на тиристорах (в этом случае необходимо применение специальных способов коммутации для запирания тиристоров).

В запираемых тиристорах выключение осуществляется импульсом тока управления отрицательной полярности.

Если рассматривается автономный инвертор, выполненный на транзисторах или запираемых тиристорах, коммутирующие устройства отсутствуют. В этом случае основой для расчета могут явиться характеристики, приведенные на 3.61.

ние обладают меньшим остаточным напряжением. Хотя отдельные типы запираемых тиристоров были разработаны для высокочастотных схем средней мощности, главное применение GTO в мощных высоковольтных цепях, где не могут быть использованы биполярные и полевые транзисторы. Например, к середине 80-х годов на запираемых тиристорах были разработаны инверторы напряжения для двигателей электровозов. Это позволило заменить на железнодорожном транспорте двигатели постоянного тока на более экономичные двигатели переменного тока, снизить энергопотребление и повысить эффективность перевозок. После успехов в технологии СТО обыкновенные однооперационные тиристоры (SCR) начинают занимать очень узкую нишу применения. Как правило, это высоковольтные линии электропередачи постоянного тока (ЛППТ). К концу 80-х годов предельные токи и напряжения тиристоров составляют 3000 А и 6000 В.

стей, однако при этом резко снижается помехоустойчивость и теплостойкость тиристора. По этой причине в запираемых тиристорах используют технологическую шунтировку только анодного перехода, так как он является эмиттерным переходом транзистора с наименьшими усилительными свойствами.

В последние годы были предложены новые схемы статических источников реактивной мощности и новые схемы их включения в сеть. Это позволяет создать так называемые гибкие линии. Основой здесь является автономный инвертор напряжения на запираемых тиристорах с встречно-параллельными диодами и емкостным накопителем. Эта схема может работать в режиме как генерации, так и потребления реактивной мощности. Если такой инвертор включается в сеть параллельно через обычный трансформатор, то его функции такие же, как у обычного синхронного компенсатора. Он обеспечивает баланс реактивной мощности в узле включения, стабилизируя напряжение в нем (см. 42.13, б), о чем говорилось выше. Новым здесь является предложение о включении инвертора (или любого другого регулируемого источника реактивной мощности, в том числе и СК) через трансформатор, первичная обработка которого включена в линию последовательно ( 42.14, а). В этом случае в линию вводится напряжение, пропорциональное ее току:

Для быстродействующих контакторов переменного тока, выполненных на неполностью управляемых ключевых элементах, например запираемых тиристорах, необходимость в устройствах принудительной коммутации отпадает. Однако главная проблема — отвод при выключении энергии накопленной в индуктивностях нагрузки, сохраняется. Одним из путей решения этой проблемы является использование конденсаторных энергопоглотителей, компенсирующих и инвертирующих устройств.

Статические преобразователи частоты. Указанные недостатки практически отсутствуют у статических ПЧ, выполненных на ключевых электронных элементах: тиристорах, запираемых тиристорах и силовых транзисторах (биполярных, биполярных с изолированным затвором и полевых). Использование ключевого режима приводит к тому, что выходное напряжение (/2 у всех без исключения видов статических ПЧ несинусоидально и кроме основной (первой) гармоники содержит обычно целый спектр высших гармонических составляющих, а в некоторых ПЧ еще и низкочастотные субгармонические составляющие. Ток, потребляемый из сети статическими ПЧ, также несинусоидален и может вызывать искажения напряжения питающей сети. Эти обстоятельства приходится обычно учитывать при выборе типа статического ПЧ.

Двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока состоит из управляемого выпрямителя (УВ), автономного инвертора тока (АИТ), сглаживающего реактора L и конденсаторов С, являющихся источником реактивной энергии для двигателя ( 56.3 1 ). В качестве силовых ключей в АИТ используются тиристоры: однооперационные или запираемые. В первом случае конденсаторы одновременно являются коммутирующими элементами ( 56.32). Здесь тиристорная группа Т1^Т6 — рабочая, тиристорная группа Т7 — Т12 — коммутирующая. В АИТ, выполненном на запираемых тиристорах, конденсаторы включены на его выходе ( 56.33).

56.33. Автономный инвертор тока, выполненный на запираемых тиристорах

недостаточную отработку систем частотного электропривода для широких масштабов внедрения, относительно малый опыт применения наиболее перспективных преобразователей на силовых транзисторных модулях (IGBT) и на запираемых тиристорах (СТО);

Тиристоры обозначаются (как диоды и транзисторы) семи-элементным кодом. Однако имеются некоторые отличия в элементах. Второй элемент — буква «У» для всех видов тиристоров (кроме импульсных, которые обозначаются УИ); третий элемент — цифра, обозначающая: для незапираемых тиристоров: 1 — максимальный средний ток до 0,3 А, 2 — ток до 10 А, 7 — ток до 100 А; для запираемых тиристоров: 3 — ток до 0,3 А;

1 Переходный процесс выключения тиристора по управляющему электроду, характерный для запираемых тиристоров, рассмотрен в § 3.7.1.

Принципиальным ограничением применения запираемых тиристоров является то, что при анодных токах выше определенного критического значения /а,кр его коэффициент выключения становится равным нулю. Этот факт иллюстрируется 3.73. При /а
процессу включения током управления и по той же причине) и сопровождается эффектом локализации энергии со всеми вытекающими последствиями: локальным перегревом структуры, стягиванием тока в «шнур» и т. п. (см. § 7.5). Анодный ток, очевидно, необходимо ограничивать на таком уровне, чтобы не происходило необратимых изменений в структуре, ухудшающих параметры тиристора. Для запираемых тиристоров решающим фактором, or-

Кроме запираемых тиристоров.

10. Определите физические явления, ограничивающие предельные параметры запираемых тиристоров.

3. Возможность использования новых схем и специальных импульсных малогабаритных конденсаторов и высокоэффективных магнитных материалов, а также дальнейшее улучшение параметров силовых полупроводниковых приборов, что обеспечивает снижение стоимости и потерь электроэнергии, особенно при применении запираемых (выключаемых) силовых приборов. Так, при использовании мощных транзисторов с рабочим напряжением до 1000 В можно создавать преобразователи для работы от сети 380 В с рабочей частотой до 100 кГц, а при использовании запираемых тиристоров — преобразователи с рабочими частотами до 10 кГц.

В связи с появлением в последнее время запираемых тиристоров разработаны контакторы постоянного тока, в которых узлы конденсаторной коммутации отсутствуют. Однако такие тиристоры пока что применимы при относительно небольших токах.

ние обладают меньшим остаточным напряжением. Хотя отдельные типы запираемых тиристоров были разработаны для высокочастотных схем средней мощности, главное применение GTO в мощных высоковольтных цепях, где не могут быть использованы биполярные и полевые транзисторы. Например, к середине 80-х годов на запираемых тиристорах были разработаны инверторы напряжения для двигателей электровозов. Это позволило заменить на железнодорожном транспорте двигатели постоянного тока на более экономичные двигатели переменного тока, снизить энергопотребление и повысить эффективность перевозок. После успехов в технологии СТО обыкновенные однооперационные тиристоры (SCR) начинают занимать очень узкую нишу применения. Как правило, это высоковольтные линии электропередачи постоянного тока (ЛППТ). К концу 80-х годов предельные токи и напряжения тиристоров составляют 3000 А и 6000 В.

планарным расположением катодного и управляющего электродов. В исходной высокоомной кремниевой пластине п~ при помощи двусторонней диффузии акцепторной примеси формируют р+-область анода и р-область базового слоя тиристора. Затем, применяя локальную донор-ную диффузию, создают л+-области катода и поверхностные участки управляющего электрода к узкой р-базе. Важным моментом является точность воспроизведения геометрических размеров каждой области, что обеспечивает идентичность характеристик отдельных ячеек. Структура на 2.52, а используется в приборах с высоким обратным напряжением близким по величине к прямому блокируемому напряжению. О'бла-стью применения таких тиристоров являются преобразователи без обратных шунтирующих диодов, например управляемые выпрямители Поскольку обратное напряжение тиристора падает на анодном р+-л~-пере-ходе, р+-область анода выполняется однородной по всей площади ячейки. Однако это повышает падение прямых напряжений на открытой структуре (> 2.5 В) и увеличивает токи утечки. Указанных недостатков лишена вторая разновидность запираемых тиристоров — с шунтированием анодного перехода ( 2.52, б). В структуре данных тиристоров через высоколегированные п+-участки, сформированные в анодном слое, осуществляют распределенное шунтирование соответствующего перехода. Такие приборы не способны блокировать высокие обратные напряжения. Однако этого и не требуется во многих практических схемах применения (например, в автономных инверторах напряжения).

Физические процессы, протекающие в структурах запираемых тиристоров, ао многом аналогичны уже рассмотренным для одноопера-ционного прибора. Исключение составляет процесс прерывания анодного тока отрицательным током управления. Полагаем, что до начала процесса выключения оба биполярных транзистора р-л-р-л-структуры находятся в состоянии насыщения (центральный переход имеет положительное смещение). При достаточной амплитуде и длительности запирающего тока, а также равномерности его распределения по однородным ячейкам избыточная концентрация неосновных носителей первоначально снижается до нуля вблизи центрального перехода структуры. При этом коллекторные переходы обоих транзисторов одновременно смещаются в обратном направлении, воспринимая часть внешнего анодного напряжения. Так как оба транзистора начинают работать в активном режиме, в структуре возникает положительная обратная связь при отрицательном базовом токе в л-р-л-транзисторе Вследствие лавинообразного уменьшения зарядов в базовых областях анодный ток тиристора начинает регенеративно снижаться. Составляющий л-р-л-транзистор первым попадает в область отсечки Действие положительной обратной связи прекращается, и дальнейший спад анодного тока определяется рекомбинацией остаточного заряда в л-базе тиристора ( 2.53).