Назначение и классификация полупроводниковых приборов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 18Следующая ⇒

Полупроводниковыми приборами называются электронные устройства, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. В электронике полупроводниковые приборы используются для обработки электрических сигналов, а также для преобразования одних видов энергии в другие. Полупроводниковые приборы делятся на дискретные и интегральные.

Дискретные полупроводниковые приборы, выполняются в виде отдельных устройств, различаются по назначению, виду характеристик, типу материала, принципу действия, области применения, конструкции и технологии. К их основным классам относят:

электропреобразовательные приборы (диод, транзистор, тиристор и другие);

оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, полупроводниковый лазер, излучающий диод и т.д.);

термоэлектрические, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, терморезистор и т.п.);

магнитоэлектрические приборы (измерительный преобразователь на основе эффекта Холла);

пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на изменение давления или механическое смещение.

Интегральные полупроводниковые приборы являются активными элементами интегральных схем. Интегральные схемы состоят из интегральных диод, транзистор, тиристор, резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Элементы интегральных схем создаются в едином техническом цикле на одном кристалле полупроводника. Если же пассивные элементы изготавливают отдельно на диэлектрической подложке, а активные элементы устанавливают в схему в виде дискретных бескорпусных полупроводниковых приборов, то интегральная схема называется гибридной.

Интегральные системы классифицируются по областям использования (аналоговые и цифровые). Цифровые включают в себя логические, счетно-преобразовательные и интегральные схемы памяти. Аналоговые интегральные схемы охватывают приборы усиления, источники вторичного питания, сверхвысокочастотные схемы.

В зависимости от применяемого полупроводникового материала различают германиевые. Кремневые, арсенид-галлиевые и другие приборы.

По конструктивным и технологическим признакам полупроводниковые приборы разделяют на точечные и плоскостные. Плоскостные в свою очередь делятся на диффузионные, мезапланарные, планарные и другие. Основной технологией полупроводниковых приборов является планарная технология.

В зависимости от мощности преобразуемых сигналов различают полупроводниковые приборы малой мощности (токи до 10А) и силовые полупроводниковые приборы (СПП).

Применение полупроводниковых приборов в преобразователях энергии и передаче информации.

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (Рис.1.1)

Рис 1.1. Классификация по характеру преобразования

Выпрямители

Выпрямители делятся на выпрямители тока и выпрямители напряжения.

В выпрямителях тока ток на выходе протекает в одном направлении, а мгновенные значения напряжения на выходе могут менять полярность. В качестве вентилей в них применяют диоды и тиристоры.

В выпрямителях напряжения напряжение на выходе не меняет полярность, а ток на выходе может менять направление. В качестве вентилей в них применяют диоды и транзисторы или запираемые тиристоры.

В настоящее время основное применение имеют выпрямители тока. Именно они рассматриваются в этой и последующих главах. Для сокращения в дальнейшем будем называть их просто выпрямителями, опуская слово тока.

Выпрямители напряжения сложнее и будут рассмотрены позже. Выпрямители тока классифицируются по ряду признаков (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Классификация выпрямителей

1. По числу фаз выпрямители делятся:

а) на однофазные, которые питаются от однофазной сети;

б) на многофазные, которые питаются от многофазной сети.

2. По числу выпрямляемых полуволн выпрямители делятся:

а) на однополупериодные;

б) на двух полупериодные.

3. По построению схем выпрямители делятся на следующие:

а) нулевые (однотактные, в которых ток по вторичной обмотке трансформаторов протекает в одном направлении);

б) мостовые (двухтактные, в которых ток по вторичной обмотке трансформаторов протекает в двух направлениях). В мостовой схеме трансформатор может отсутствовать.

4. По мощности выпрямители делятся на следующие:

а) малой мощности (до сотен ватт);

б) средней мощности (до десятков киловатт);

в) большой мощности (сотни и тысячи киловатт).

5. По возможностям управления выпрямители делятся:

а) на неуправляемые, выполненные на диодах;

б) на управляемые, выполненные на тиристорах.

На рис. 1.3 приведена обобщенная структурная схема выпрямителя, содержащая сетевой фильтр СФ, трансформатор Т, вентильный блок ВБ, сглаживающий фильтр СГФ, стабилизатор СТ, систему управления СУ и нагрузку Н. Энергия из сети подается через сетевой фильтр, служащий для уменьшения вредного влияния выпрямителя на питающую сеть. Трансформатор служит для согласования выпрямленного напряжения и напряжения сети, а также для потенциального разделения нагрузки и сети. Вентильный блок служит для выпрямления переменного тока. Сглаживающий фильтр осуществляет фильтрацию (сглаживание) выпрямленного напряжения. Стабилизатор обеспечивает поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки. Система управления в управляемом выпрямителе обеспечивает регулирование выпрямленного напряжения.

Рис. 1.3. Обобщённая структурная схема выпрямителя

Не все указанные блоки обязательно присутствуют в схеме. В зависимости от предъявляемых требований могут отсутствовать все блоки, кроме ВБ. Однако, в большинстве случаев необходим и трансформатор. Поэтому в дальнейшем процессы рассматриваются для комплекта Т - ВБ. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя.

Возможны следующие виды нагрузок выпрямителя (с учетом фильтра):

а) активная;

б) активно-индуктивная (например, выпрямитель работает на обмотку возбуждения двигателя);

в) активно-индуктивная с противо-ЭДС (выпрямитель работает на якорь двигателя);

г) активно-емкостная (емкостный фильтр).

В виду сложности расчетов выпрямителей, анализ процессов в них в первом приближении выполняется при упрощающих допущениях об индуктивности нагрузки. Принимается, что либо индуктивность в цепи выпрямленного тока L_d =0, либо L_d =∞.

Инверторы

Классификация инверторов

Инвертирование - это преобразование постоянного тока в переменный. Существует два типа инверторов: ведомые и автономные.

Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение - напряжению сети.

Автономные инверторы (АИ) - это инверторы, которые работают на сеть, в которой нет других источников электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются благодаря применению полностью управляемых вентилей или устройств искусственной коммутации. При этом частота на выходе АИ определяется частотой управления, а напряжение – параметрами нагрузки и системой регулирования.

Наиболее часто ведомые инверторы применяются, когда нужно отдать механическую энергию, запасенную в маховых массах электродвигателя и рабочей машины, обратно в сеть. Торможение электропривода, осуществляемое таким образом, является наиболее энергетически эффективным. Количество возвращаемой энергии может быть весьма велико.

Автономные инверторы применяются для получения регулируемой частоты в электроприводах переменного тока, а также для получения более высоких частот в электротермических и электротехнологических установках. Они являются основной частью преобразователей частоты.

Переход от выпрямительного к инверторному режиму

Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Переход от выпрямительного к инверторному режиму возможен в системе (рисунок 1.4 а), содержащей выпрямитель и электрическую машину (ЭМ). Реактор (индуктивность L_d) между выпрямителем и ЭМ воспринимает на себя разницу мгновенных значений ЭДС выпрямителя и ПЭДС двигателя. На рисунке 1.4 б приведены диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие процессы в выпрямителе, нагруженном на ЭМ, работающую в двигательном режиме. ЭДС выпрямителя создается в основном положительными участками полуволн напряжения и ее среднее значение положительно. Также положительна ПЭДС двигателя.

Если угол управления увеличить до 90°, то ЭДС выпрямителя уменьшится до нуля, и двигатель остановится. При этом ЭДС выпрямителя в одинаковой степени создается положительными и отрицательными участками полуволн напряжения (рисунок 1.4 в).

Изменение направления потока мощности в системе, содержащей вентили, возможно только по второму способу, описанному выше. Для того чтобы перейти из выпрямительного режима в инверторный нужно:

1) привести во вращение ЭМ в другом направлении, подведя к ней механическую энергию и переведя ее в генераторный режим;

2) увеличить угол управления (больше 90°), чтобы в основном использовать отрицательные участки полуволн напряжения сети и сделать среднее значение ЭДС инвертора отрицательным (рисунок 1.4 г).

При описании процессов в ведомом инверторе, кроме угла управления a (угла запаздывания), используется угол управления b (угол опережения), отсчитываемый от точки, находящейся через 180° от точки естественной коммутации. Следовательно, β = 180°-α.

Угол управления β не может достигать 0°, т.к. требуется время на восстановление запирающих свойств тиристора в прямом направлении (рисунок 1.4 г).

Рис. 1.4. Переход из выпрямленного в инверторный режим в трёхфазной нулевой схеме (а); б, в, г – диаграммы токов и напряжений при различных углах α.

Регулировочные и внешние характеристики ведомого инвертора

Преобразователь, который может работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме назовем ведомым преобразователем. На рисунке 1.5 приведены внешние и регулировочные характеристики ведомого инвертора в режиме непрерывного тока совместно с характеристиками выпрямителя.

Рис.1.5. Регулировочные характеристики преобразователя в непрерывном и прерывистом режиме при работе на ПЭДС (а) и его внешние характеристики в непрерывном режиме (б)

Напряжение на зажимах постоянного тока инвертора назовем инвертируемым напряжением. Так как оно измеряется между теми же точками, что и выпрямленное, то будем обозначать их одинаково - U_d.Закон изменения этого напряжения при изменении угла управления тот же, что и в выпрямительном режиме. Поэтому регулировочная характеристика ведомого преобразователя в непрерывном режиме (рис. 1.5 а) определяется тем же уравнением

U_daо = U_d_оcosα . (1.1)

Коммутация вентилей происходит за счет напряжения сети, и на участке коммутации напряжение идет посредине между фазными ЭДС (рис. 7.4 а - б). За счет дополнительной коммутационной площадки с ростом тока напряжение по модулю увеличивается.

Внешние характеристики приведены на рисунке 1.5 б.

Рисунок 1.6. Диаграммы токов и напряжений в ведомом инверторе при Х_d=∞, X_a ≠ 0 для трёхфазной нулевой (а) и мостовой (б) схем

В первом квадранте (для выпрямителя) они связывают выходные величины и являются выходными. Характеристики в 4-м квадранте (ведомого инвертора) связывают входные величины (по энергетическому каналу) и поэтому являются входными. Внешние характеристики выпрямителя по смыслу являются выходными, и поэтому выходное напряжение за счет внутреннего сопротивления с ростом тока падает. Внешние характеристики инвертора являются по смыслу входными и поэтому, если необходимо «загнать» в инвертор больший ток, нужно подать на вход большее напряжение.

Внешние характеристики с учетом наличия области прерывистого режима приведены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Внешние характеристики ведомого преобразователя, выполненного по трёхфазной нулевой (а) и трёхфазной мостовой (б) схемам.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты. Преобразователи частоты для частотно-регулируемых электроприводов преобразуют электроэнергию, поступающую из сети переменного тока, в электроэнергию с меняющейся по заданным законам частотой и напряжением.

Преобразователи частоты по построению могут быть разбиты на два типа:

а) двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ);

б) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

В ДПЧ первое звено представляет собой выпрямитель (управляемый или неуправляемый) с фильтром на выходе, а второе - автономный инвертор. Таким образом, нагрузка связана с сетью через два звена, и происходит двукратное преобразование энергии. Второе звено в ДПЧ может быть выполнено как на основе автономного инвертора напряжения (АИН), так и на основе автономного инвертора тока (АИТ).

ДПЧ позволяют получить на выходе частоты как меньшие, так и большие входных. Их недостаток - двойное преобразование энергии, ведущее к увеличению потерь.

НПЧ выполняются на основе реверсивных преобразователей. Однофазный НПЧ представляет собой двухкомплектный реверсивный преобразователь, на выходе которого подключена нагрузка. Каждый комплект вентилей пропускает одну полуволну тока. Трехфазный НПЧ представляет собой три реверсивных преобразователя, каждый из которых питает одну фазу нагрузки.

НПЧ позволяют получить на выходе частоты, только меньшие входных. В НПЧ происходит однократное преобразование энергии.

Принцип действия НПЧ

В НПЧ напряжение сети подается непосредственно на двигатель черезуправляемые вентили. Каждая фаза НПЧ выполняется на основ реверсивногодвухкомплектного преобразователя с раздельным или совместнымуправлением комплектами.

На рисунке 1.8 а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных нулевых схем, преобразующего трехфазное напряжение сети частотой 50 Гц в однофазное с регулируемой частотой. При переключении комплектов В и Н на выходе формируется двуполярное напряжение. Возможны два закона управления - прямоугольный и синусоидальный. При прямоугольном управлении в течение полуволны тока на один комплект подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) a = const пока этот комплект работает в выпрямительном режиме, а затем с углом управления (углом опережения) b = a, когда для снижения тока необходим переход в инверторный режим (рисунок 1.8 б). После бестоковой паузы аналогично подаются управляющие импульсы на второй комплект.

При синусоидальном управлении угол управления a непрерывно меняется так, чтобы гладкая составляющая выходного напряжения изменялась по синусоидальному закону (рисунок 1.8 в).

Рисунок 1.8. Схема трёхфазно-однофазного НПЧ (а), диаграммы напряжения и тока нагрузки при прямоугольном управлении (б) и диаграммы напряжения на нагрузке при синусоидальном управлении (в)

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем приведена на рисунке 1.9. Эта схема требует разделения фаз нагрузки.

Рисунок 1.9. Схема трёхфазно-трёхфазного НПЧ

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒