Элементная база силовых электронных устройств

После изучения материала данной главы студент должен:

знать

• • принцип действия и основные характеристики силовых полупроводниковых приборов в статическом и динамическом режимах работы;
• • методы обеспечения безопасной работы силовых электронных ключей;
• • схемы замещения для расчета теплоотвода в полупроводниковых приборах;
• • особенности применения пассивных компонентов в силовых электронных устройствах;

уметь

• • определять температуру в характерных точках конструкции полупроводникового прибора;
• • определят!" токи и напряжения на полупроводниковых элементах в различных режимах работ!"!;

владеть

• • методами расчета токов и напряжений в электрических схемах, содержащих полупроводниковые приборы;
• • методикой оценки температуры в характерных точках конструкции силового электронного прибора.

Принцип действия, классификация и основные характеристики силовых электронных ключей

Силовым электронным ключом называется устройство для размыкания или замыкания электрической цепи, содержащее по крайней мере один управляемый электронный прибор [1]. Понятие «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электроэнергии. К силовым приборам обычно относят приборы со средним значением тока более 10 А и импульсным значением свыше 100 А. Функции силовых электронных ключей выполняют приборы, физической основой которых являются структуры различных типов электронной проводимости.

Принцип действия большинства видов электронных ключей основан на изменении проводимости их структуры при поступлении на них сигналов управления и соблюдении определенных правил подключения к электрической цепи. В результате происходит включение электронного ключа. Способ выключения ключа может определяться не только отсутствием на нем управляющего сигнала, но и другими условиями, зависящими от его вида.

Силовые электронные ключи обычно классифицируют по принципу действия. В настоящее время выделяют три основных вида ключей: диоды, транзисторы и тиристоры. Каждый из них подразделяется на ряд подгрупп по различным признакам:

• • рабочей частоте (низкочастотные, высокочастотные, импульсные и др.);
• • коммутируемой мощности (малой, средней и большой);
• • конструктивному исполнению (дискретное, модульное и др.).

Существуют и другие критерии классификации электронных ключей.

По типу исходного полупроводникового материала ключи делятся на кремниевые (Si), германиевые (Ge) и приборы на основе арсенида галлия (GaAs). Большинство силовых ключей изготавливается па основе кремния. В последнее время применяются и другие перспективные полупроводниковые материалы: соединения индия (InP, InAs), карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN).

Основным преимуществом электронных ключей, но сравнению с электромеханическими ключами является высокое быстродействие, превышающее быстродействие последних более чем на порядок. Это позволяет осуществлять периодическое переключение электронных ключей с высокой частотой и управлять формой токов и напряжений. В результате становится возможным реализовать принципиально новые и перспективные методы управления электрической энергией. Другим важным преимуществом электронных ключей является практически неограниченный ресурс работы.

В основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов лежат процессы, возникающие на границе между областями с различными типами электрической проводимости — электронной (и-типа) и дырочной (p-типа). Эта граница называется рп-переходом. На границе возникает область пространственного заряда (0113). В результате в приборе образуется внутреннее электрическое поле с напряженностью Е, направление которого препятствует дальнейшему процессу диффузии подвижных носителей зарядов.