Методические указания к лабораторной работе №3 Дисц. «Энергетическая электроника» (стр. 1 из 3)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрических станций

ТИРИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Методические указания

к лабораторной работе № 3

Дисц. «Энергетическая электроника»

Для спец. 10.01, 5 курс д/о

Киров 2000

УДК 621.311.2

Составитель : Ст. преподаватель Н.В. Петров,

каф. «Электрические станции»

Рецензент : ст. преподаватель А.В. Вычегжанин,

каф. «Электроэнергетические системы»

Подписано в печать Усл. печ. л 1,0

Бумага типографская Печать матричная

Заказ № Тираж 37 Бесплатно

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором

610000, Киров, ул. Московская , 36

Изготовление обложки, изготовление ПРИП

Ó Вятский государственный технический университет, 2000

Права на данное издание принадлежат Вятскому

государственному техническому университету

1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1.1 Изучить назначение и принцип действия управляемых выпрямительных устройств;

1.2 Ознакомиться с методикой расчета и характеристиками схем m-фазных выпрямителей;

1.3 Закрепить полученные знания о выпрямительных устройствах, выполнив расчетную часть лабораторную работу.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1 ТИРИСТОРЫ

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру типа р-п-р-п, содержащую три p-n-перехода (рисунок 1). Слой p₁ выполняет в тиристоре функцию анода, а слой п₂ — функцию катода. При сообщении аноду положительного напряжения по отношению к катоду тиристор после его отпирания пропускает прямой ток I_а. При обратной полярности анодного напряжения через прибор протекает небольшой обратный ток I_обр. Тиристоры, выпускаемые на рабочие напряжения от десятков до сотен вольт и на токи от десятков миллиампер до нескольких ампер, относят к группе маломощных. Тиристоры, рассчитанные на токи до 150—200 А при воздушном охлаждении и до 350—500 А при водяном охлаждении при напряжении до 1000 В и более, относят к группе мощных приборов. Если тиристор имеет только два основных электрода (анод и катод), то отпирание его (перевод во включенное состояние) и запирание (перевод в выключенное состояние) достигается изменением полярности напряжения питания (рисунок 1а).

а) б)

Рисунок 1 — Структуры тиристоров: а) неуправляемых; б) управляемых

Такой тиристор называется однопроводящим диодным тиристором или динистором (а также переключающим диодом).

Если тиристор выполнен с тремя электродами (третий электрод подключен к слою р₂ и выполняет функции управления), то перевод тиристора в открытое состояние можно осуществить с помощью тока управления. Такой тиристор называется однопроводящим триодным тиристором (рисунок 1б).

В большинстве триодных тиристоров с помощью управляющего электрода можно осуществить лишь одну операцию отпирания прибора. Поэтому такие приборы называют иногда однооперационными или однопроводящими. Приборы, выпускаемые в небольших количествах на сравнительно малые токи (до 5 - 10 А), в которых с помощью электрода управления можно осуществить две операции — как отпирания, так и запирания, называются двухоперационными или полностью управляемыми тиристорами.

2.2 Диодные тиристоры

При сообщении динистору прямого напряжения, когда анод (слой p₁) положителен, а катод (слой n₂) отрицателен, напряжение питания распределяется между тремя его переходами П₁, П₂ и П₃ с полярностью, указанной на рисунке 1а. При этом слой p₁ выполняет функцию первого эмиттера, инжектирующего дырки в слой п₁(толстая база, имеющая толщину 120— 140 мкм), а слой п₂ выполняет функции второго эмиттера, инжектирующего электроны во вторую базу p₂ (тонкая база толщиной примерно 10—15 мкм). Через тиристор проходят при этом два встречно-направленных потока носителей: дырок, уходящих от эмиттера р₁ через базу п₁ в базу p₂, и электронов, уходящих от эмиттера п₂через базу p₂ в базу п₁. Таким образом, четырехслойную структуру тиристора можно рассматривать как комбинацию двух транзисторов p₁-n₁-p₂ и n₂-p₂-n₁. При этом толстая база п₁ выполняет функции базы первого транзистора и коллектора второго, а тонкая база p₂ - функции базы второго транзистора и коллектора первого. Переходы П₁ и П₂ являются эмиттерными для первого и второго транзисторов соответственно, а переход П₂ является общим (центральным) коллекторным переходом у обоих триодов.

Эмиттерные переходы при указанной на рисунке 1а полярности напряжения открыты, а к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, поэтому он воспринимает наибольшую часть напряжения источника питания.

Уходящий через открытый переход П₁в базу п₁ поток дырок образует дырочную составляющую эмиттерного тока I_р. Аналогично через открытый переход П₃ в базу р₂ уходит поток электронов, образующий электронную составляющую эмиттерного тока I_n. Пренебрегая небольшими по величине составляющими тока, образованного движениями неосновных носителей, в силу непрерывности тока получаем:

I _p = I _n = I.

Часть дырочного потока, вошедшая через переход П₁ в базу n₁, частично рекомбинирует с электронами, образуя рекомбинационную составляющую дырочного тока I _p*(1 - a_p), а остальная часть дырочного потока, уходящая в слой р₂, образует транзитную составляющую дырочного тока I_pa_р. Аналогичны рекомбинационная составляющая электронного тока I_n*(1-a_п) и транзитная составляющая этого тока I_пa_п. Коэффициенты a_p и a_n представляют собой коэффициенты передачи дырочного и электронного токов через базы n₁ и р₂.

В общем балансе зарядов в базах принимают участие также заряды неосновных носителей, переносимые полем в коллекторном переходе из одной базы в другую. Эти заряды образуют составляющие собственного тока коллекторного перехода I _кp и I _кn. Сумма этих составляющих образует полный собственный ток коллекторного перехода:

I _к ⁼I _кp +I _кn.

Для выполнения закона зарядной нейтральности необходимо, чтобы заряды разных знаков в каждой из баз и создаваемые ими токи были одинаковы. При учете всех составляющих тока баланс зарядов в базе n₁ определяется следующим равенством:

I_p *(1-a_p) — I_кp =I_naa_n+ I_кп.

Аналогично для базы р₂ имеем:

I_n *(1 - a_n) - I_кn = I_p a_p + I_кр.

Так как I_p=I_n=I, I_к=I_кp+I_кn, то последние два равенства можно представить в виде

I[1-(a_р +a_n)]= I_к.

Рисунок 2 — Вольт - амперная характеристика диодного тиристора

Это равенство устанавливает количественную связь между собственным током коллекторного перехода I_к и полным током тиристора. Оно позволяет найти вольт - амперную характеристику тиристора. Коэффициенты передачи токов растут с увеличением эмиттерного тока. При малых значениях тока через прибор, соответствующих малым напряжениям:

a_р+a_п << 1 и I

I_ко,

т. е. проводимость тиристора примерно такая же, как и проводимость кремниевого вентиля в обратном направлении (участок 1 вольт - амперной характеристики на рисунке 2). С ростом напряжения ток возрастает либо из-за утечек, либо из-за умножения носителей заряда в коллекторном переходе. С ростом тока коэффициенты передачи a_р и a_n увеличиваются. При токе I =I_отп в базу п₁ приходит больше электронов, чем их требуется для рекомбинации дырок, а в базу p₂ — больше дырок, чем их требуется для рекомбинации электронов, т. е. в базе n₁ возникает избыток электронов, а в базе p₂ — избыток дырок. Нарушается условие зарядной нейтральности. Для восстановления нейтральности необходимо уменьшение тока I_к, что связано со снижением напряжения на коллекторном переходе, а следовательно, и на всем приборе. Этому режиму соответствует участок 2 вольт - амперной характеристики. При некотором значении тока тиристора выполняется условие a_p+a_n=1 и тогда напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю, так как равен нулю коллекторный ток I_к (точка В на вольт - амперной характеристике тиристора). При дальнейшем увеличении тока, что соответствует режиму a_p+a_n>1, полярность напряжения на коллекторном переходе изменяется. Это соответствует положительному напряжению на центральном переходе и встречной полярности по отношению к напряжению источника питания. Переход П₂ открывается и через него из базы p₂ диффундируют в базу n₁ дырки, а из базы n₁ в базу p₂— электроны. Такой режим соответствует отпертому состоянию тиристора (участок 3 вольт - амперной характеристики). При этом падение напряжения на приборе равно сумме падений напряжений на переходах П₁ и П₃ минус падение напряжения на переходе П₂.