Гибридный силовой модуль

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Институт информационных технологий

Специальность промышленная электроника

Контрольная работа

по курсу преобразовательная техника

Вариант № 7

Студент-заочник 3 курса

Группы № 883121

Вербовский

Андрей Валерьевич

Минск, 2011

Объясните вид каждого участка ВАХ p-n перехода

Если в кристалл полупроводника с одной стороны ввести примесь, превращающую его в полупроводник типа «n», а с другой, - в полупроводник типа «р», то в кристалле появляется р-n переход. Таким образом, р-n переход это граница двух слоев полупроводника с разным типом проводимости. Обычно р-n переходы бывают несимметричные, то есть концентрация примесей в слоях отличается на несколько порядков. В основе всех замечательных свойств полупроводниковых приборов лежат процессы на р-n переходе.

Для пояснения процессов представим, что р-n переход создается путем соединения двух кристаллов с разным типом проводимости. При соединении свободные электроны и дырки диффундируют в соседние слои. На р-n переходе они встречаются и рекомбинируют. Ионы примесей, зажатые в кристаллической решетке, лишаются зарядов, компенсирующих их поле. На переходе появляется нескомпенсированный объемный заряд ионов, создающих потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер препятствует дальнейшей диффузии. На р-n переходе устанавливается динамическое равновесие: наиболее быстрые электроны и дырки диффундируют в соседние слои, а навстречу им под действием электрического поля дрейфуют носители зарядов противоположного знака.

Приложение внешнего напряжения к р-n переходу называется смешением р-n перехода. Если внешнее напряжение создает поле встречное полю потенциального барьера, то смещение называется прямым; если полярность внешнего напряжения противоположна, то смешение называется обратным.

Рисунок 1. Вольтамперные характеристики p-n перехода

вольтамперный мультивибратор гибридный силовой модуль

При прямом смещении основные носители преодолевают потенциальный барьер и переходят в соседний слой. Переход основных носителей заряда в соседний слой, где они становятся неосновными, называется инжекцией. При прямом смешении через р-n переход протекает прямой ток. Зависимость тока через р-n переход от приложенного напряжения I = f(U) называется вольтамперной характеристикой электронно-дырочного перехода.

На рис. 1 в первом квадранте показана вольтамперная характеристика (ВАХ) р-n перехода при прямом смещении. На участке OA преодолевается потенциальный барьер и ток мал, на участке АВ ток резко увеличивается из-за перехода в соседний слой большого количества носителей заряда и резкого уменьшения его сопротивления.

При обратном смещении через р-n переход протекает обратный ток. На рис. 1 в третьем квадранте показана вольтамперная характеристика р-n перехода при обратном смещении. Обратный ток (ток дрейфа) обусловлен только неосновными носителями, поэтому он мал и уже при небольшом напряжении быстро достигает значения насыщения (участок ОС) и далее остается постоянным (участок CD).

При достижении высокого напряжения в точке D ток резко возрастает, происходит лавинный пробой. Лавинный пробой возникает, когда на длине свободного пробега электрон приобретает энергию достаточную для ионизации атомов (участок DF). Лавинный пробой обратим, то есть после снятия обратного смещения р-n переход не разрушается.В точке F выделяется большая мощность и может произойти тепловой пробой (участок FE). Он необратим и приводит к разрушению р-n перехода. При повышении температуры различные участки ВAХ изменяются по-разному ( рис. 1).

При прямом смещении с ростом температуры число основных носителей, определяющих прямой ток, изменяется незначительно, так как оно определяется числом атомов примеси и мало увеличивается за счет термогенерации пар электрон - дырка. Поэтому падение напряжения на прямо смещенном переходе при повышении температуры уменьшается незначительно.

Особенно сильно меняется обратный ток, так как он создается неосновными носителями зарядов, количество которых определяется термогенерацией. Он удваивается при росте температуры на 7... 10 °С.

С ростом температуры уменьшается длина свободного пробега электронов и, чтобы электроны на меньшей длине приобрели энергию достаточную для ионизации, необходимо приложить большее напряжение. Поэтому при увеличении температуры напряжение лавинного пробоя растет.

Рассмотрим переходные процессы, происходящие при прямом и обратном смещении р-n перехода.

При приложении прямого смещения происходит процесс накопления заряда. В начале прохождения прямого тока падение напряжения на р-n переходе велико, а затем оно уменьшается. Время установления прямого сопротивления - это время спада напряжения от максимального значения до заданной величины. При приложении обратного смещения происходит процесс рассасывания заряда. При приложении обратного напряжения к проводящему р-n переходу вначале протекает большой обратный ток, который, по мере рассасывания накопленных ранее зарядов, уменьшается. Время установления обратного сопротивления (время восстановления вентильной прочности) - это время от начала нарастания обратного тока до спада его до заданной величины (например, до пятикратного установившегося значения).

Поясните временные диаграммы мультивибратора

Мультивибратор - это генератор прямоугольных колебаний. Он представляет собой регенеративный компаратор, в котором на инвертирующий вход подается сигнал обратной связи через интегрирующую цепь RC, а опорное напряжение равно нулю.

Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Временные диаграммы мультивибратора показаны на рис. 2. Пусть в момент t\ напряжение на выходе положительное, тогда напряжение на неинвертирующем входе тоже положительное. Оно определяется коэффициентом передачи цепи обратной связи

Напряжение с выхода, подаваемое на RC цепь, вызывает нарастание напряжения на инвертирующем входе. В момент t2, когда это напряжение превысит напряжение на неинвертирующем входе, произойдет переключение. Напряжение на выходе и на неинвертирующем входе станет отрицательным, конденсатор начнет перезаряжаться в противоположном направлении.

Выходное напряжение мультивибратора имеет частоту

где

Рисунок 2. Мультивибратор (а) и его временные диаграммы (б).

Что такое гибридный силовой модуль

При создании силовой части преобразователей полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры) соединяются между собой по определенным схемам. Как альтернатива дискретным приборам и схемам с внешними по отношению к приборам соединениями, появились гибридные силовые модули, совмещающие в одном корпусе несколько силовых ключей и различные вспомогательные элементы. Применение гибридных силовых модулей упрощает конструкции преобразователей и повышает надежность их работы.

Существуют выпрямительные диодные модули, содержащие 2, 4 и 6 диодов, соединенных по схемам: два последовательно соединенных диода, однофазный мост, трехфазный мост.

По таким же схемам соединяют транзисторно-диодные ключи, содержащие IGBT-транзисторы с встречно-параллельно соединенными диодами. Эти схемы применяются в автономных инверторах, преобразующих постоянный ток в переменный, и в преобразователях. Преобразующих величину постоянного напряжения. Мощность таких модулей достигает 1000 кВт.

Для преобразователей частоты выпускаются модули, содержащие комбинацию диодного моста и моста на IGBT-транзисторах. Они выполняются на мощности до 30 кВт. Такие модули могут дополняться температурными датчиками, датчиками тока и цепями защиты.

Существуют специальные микросхемы (драйверы) предназначенные для управления силовыми ключами. Дальнейшим развитием гибридных силовых модулей является введение в них цепей управления. Модули, включающие систему управления транзисторами или тиристорами, называют интеллектуальными (IPM - Intelligent Power Modules). Обычно они имеют на входе гальваническую оптронную развязку и не требуют отдельных источников питания. Часто они содержат устройства защиты, датчики температуры, тока и др. устройства. Модульная конструкция минимизирует паразитные индуктивности в силовых цепях, благодаря чему снижаются перенапряжения и коммутационные потери.

В последнее время появились новые типы запираемых тиристоров (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). В IGCT с силовым прибором объединена схема управления (драйвер). Кроме этого в IGCT имеется интегрированный на одном кристалле с GCT обратный быстровосстанавливающийся диод. Эти приборы выпускаются на токи до 4 кА и напряжения до 5 кВ. В этих приборах возможна работа без снабберов. 1GCT целесообразно применять в преобразователях мощностью 1... 100 МВт.

Интеграция микропроцессоров и силовых модулей позволяет создавать схемы, непосредственно управляющие маломощными двигателями постоянного и переменного тока. При необходимости мощность электроприводов может быть увеличена за счет применения промежуточных драйверов и мощных силовых ключей.

Больше работ по теме: