СИЛОВЫ́Е ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЕ ПРИБО́РЫ

СИЛОВЫ́Е ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЕ ПРИБО́РЫ, пред­на­зна­че­ны для ра­бо­ты в ка­че­ст­ве мощ­ных пре­об­ра­зо­ва­те­лей элек­тро­энер­гии на транс­пор­те, в разл. пром. ус­та­нов­ках, сис­те­мах энер­го­снаб­же­ния и др. Ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в элек­тропри­во­дах, тя­го­вых ус­та­нов­ках элек­тро­под­виж­но­го со­ста­ва, на под­стан­ци­ях ЛЭП, в элек­тро­хи­мич. ус­та­нов­ках, мощ­ных ра­дио­пе­ре­даю­щих уст­рой­ст­вах и т. д.

Совр. С. п. п. (как пра­ви­ло, крем­ние­вые) ус­лов­но раз­де­ля­ют на 2 осн. груп­пы. К при­бо­рам 1-й груп­пы от­но­сят­ся мощ­ные ПП дио­ды (вы­пря­ми­тель­ные дио­ды, ста­би­ли­тро­ны) и ти­ри­сто­ры; к при­бо­рам 2-й груп­пы – по­ле­вые и би­по­ляр­но-по­ле­вые тран­зи­сто­ры, из­го­тов­ляе­мые на ос­но­ве мик­ро­элек­трон­ных тех­но­ло­гий.

В диа­па­зо­не мощ­но­стей от де­сят­ков МВт и вы­ше осн. си­ло­вым при­бо­ром яв­ля­ет­ся вы­со­ко­вольт­ный ти­ри­стор (ВТ); его ПП струк­ту­ра со­сто­ит из че­ты­рёх рас­по­ло­жен­ных друг над дру­гом сло­ёв крем­ния с че­ре­дую­щим­ся ти­пом про­во­ди­мо­сти, ко­то­рые об­ра­зу­ют три p – n-пе­ре­хо­да: два край­них – эмит­те­ры – сме­ще­ны в пря­мом (про­во­дя­щем) на­прав­ле­нии, а цен­траль­ный – кол­лек­тор – в об­рат­ном, или за­пор­ном (бло­ки­ру­ет при­ло­жен­ное к при­бо­ру на­пря­же­ние). Для пе­ре­клю­че­ния ВТ в це­пи ба­за – ка­тод про­пус­ка­ет­ся ко­рот­кий им­пульс то­ка, со­про­во­ж­даю­щий­ся ин­жек­ци­ей элек­тро­нов в р-ба­зу. Осн. не­дос­та­ток при­бо­ра – не­воз­мож­ность его вы­клю­че­ния им­пуль­сом об­рат­но­го то­ка в управ­ляю­щей це­пи; дос­то­ин­ст­ва, оп­ре­де­ляю­щие его об­ласть при­ме­не­ния (сверх­мощ­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли в ЛЭП по­сто­ян­но­го то­ка, встав­ки по­сто­ян­но­го то­ка ме­ж­ду энер­го­сис­те­ма­ми, ста­тич. ком­пен­са­то­ры ре­ак­тив­ной мощ­но­сти и др.), – ма­лое ос­та­точ­ное на­пря­же­ние при боль­шой плот­но­сти пря­мо­го то­ка и боль­шом ра­бо­чем на­пря­же­нии, вы­со­кая пе­ре­гру­зоч­ная спо­соб­ность. До­пус­ти­мые ра­бо­чие то­ки и на­пря­же­ния со­став­ля­ют бо­лее 5 кА и 6 кВ со­от­вет­ст­вен­но.

В диа­па­зо­не мощ­но­стей от еди­ниц до де­сят­ков МВт, как пра­ви­ло, при­ме­ня­ет­ся за­пи­рае­мый ти­ри­стор (ЗТ) с ин­тег­ри­ро­ван­ным бло­ком управ­ле­ния (ме­ж­ду­нар. назв. IGCT – Integrated Gate-Com­mu­ta­ted Thyristor). Ка­тод­ный n⁺– p-эмит­тер это­го при­бо­ра со­сто­ит из не­сколь­ких ты­сяч по­лос, по­лу­ши­ри­на ко­то­рых при­мер­но рав­на ши­ри­не об­лас­ти пер­во­на­чаль­но­го вклю­че­ния. При та­кой гео­мет­рии вы­клю­чаю­щий им­пульс управ­ляю­ще­го то­ка воз­дей­ст­ву­ет на всю вклю­чён­ную об­ласть эмит­тер­ной по­лос­ки, пре­ры­вая ин­жек­цию элек­тро­нов и при­во­дя тем са­мым к вы­клю­че­нию при­бо­ра. В совр. IGCT, как пра­ви­ло, ис­поль­зу­ет­ся «жё­ст­кое» вы­клю­че­ние: вы­клю­чаю­щий им­пульс то­ка име­ет ам­пли­ту­ду, срав­ни­мую с си­ло­вым то­ком, и ма­лое вре­мя на­рас­та­ния (до­ли мкс); осн. па­ра­мет­ры – ра­бо­чий ток до 6 кА, ра­бо­чее на­пря­же­ние 6 кВ.

При мощ­но­стях до еди­ниц МВт и час­то­тах от де­сят­ков Гц до де­сят­ков кГц (об­ласть наи­бо­лее мас­со­во­го по­треб­ле­ния элек­тро­энер­гии) обыч­но ис­поль­зу­ют би­по­ляр­ный тран­зи­стор с изо­ли­ро­ван­ным за­тво­ром (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor), вы­пол­нен­ный в ви­де ин­те­граль­ной схе­мы из со­тен ты­сяч эле­мен­тар­ных тран­зи­стор­ных яче­ек на од­ном чи­пе. Кон­ст­рук­ция эле­мен­тар­ной ячей­ки со­сто­ит из вы­со­ко­вольт­но­го би­по­ляр­но­го p⁺–N⁺–N^––p⁺-тран­зи­сто­ра и по­ле­во­го N⁺– p – N^–-тран­зи­сто­ра с ин­дуци­ро­ван­ным (ин­верс­ным) ка­на­лом, вклю­чён­но­го в цепь управ­ле­ния. При по­да­че по­ло­жи­тель­но­го сме­ще­ния на за­твор по­ле­во­го тран­зи­сто­ра фор­ми­рую­щий­ся в р-слое ин­верс­ный n-ка­нал за­мы­ка­ет N⁺-ис­ток с N^–-сло­ем. Элек­трон­ный ток, про­те­каю­щий в этой це­пи, слу­жит то­ком управ­ле­ния би­по­ляр­но­го p⁺–N⁺–N^––p⁺-тран­зи­сто­ра, че­рез ко­то­рый про­те­ка­ет си­ло­вой ток. Для вы­клю­че­ния к за­тво­ру при­кла­ды­ва­ет­ся от­ри­ца­тель­ное сме­ще­ние, что при­во­дит к бы­ст­ро­му ис­чез­но­ве­нию ин­верс­но­го ка­на­ла и об­ры­ву ба­зо­во­го то­ка би­по­ляр­но­го тран­зи­сто­ра. Важ­ные дос­то­ин­ст­ва IGBT – ма­лая по­треб­ляе­мая мощ­ность в це­пи управ­ле­ния и вы­со­кое бы­ст­ро­дей­ст­вие. Ха­рак­тер­ный раз­мер эле­мен­тар­ной ячей­ки 10–15 мкм; ра­бо­чий ток чи­па до 50–70 A (па­рал­лель­ное со­еди­не­ние чи­пов по­зво­ля­ет соз­да­вать IGBT-мо­ду­ли на ток до не­сколь­ких кА).

Пре­об­ра­зо­ва­те­ли мощ­но­сти ни­же 1 МВт ба­зи­ру­ют­ся в осн. на по­ле­вых МОП-тран­зи­сто­рах (MOSFET – Metal oxide semiconductor field effect transistor), так­же вы­пол­нен­ных в ви­де сверх­боль­шой ин­те­граль­ной схе­мы. Ра­бо­чее на­пря­же­ние та­ких С. п. п. обыч­но не пре­вы­ша­ет 500 В, ра­бо­чий ток – от еди­ниц до со­тен А, диа­па­зон час­тот – до со­тен МГц.