Якщо джерело живлення, показаний на схемі Рис 131, швидко підключати до навантаження і відключати від неї, то вийдуть графіки напруги, наведені на тому ж малюнку внизу Зміною робочого циклу включено-виключено в цій схемі можна отримати середнє значення напруги на навантаженні від (майже) нуля до (майже) повної напруги харчування Слово «майже» додано тому, що реальні ключі завжди мають мінімальний час включеного і вимкненого станів, які не дозволяють досягти середнім напругою на навантаженні точно нуля або точно повного вихідної напруги джерела живлення Ключі можуть бути повністю включені або вимкнені, але на краях діапазону регулювання завжди існують маленькі зони порушення роботи ключів

Рис 131 Основишіротпо-імпулсноймодуляціі

Обмеження, що накладаються необхідністю використання змінного струму або штучної комутації, не дозволяють застосовувати тиристори в системах з широтно-імпульсною модуляцією Це стало спонукальним мотивом до розробки замикаються тиристорів (GTO – Gate Turnoff Thyristor) Для замикання цих тиристорів використовується сигнал з великою імпульсною потужністю, але з малою середньою Існують замикаються тиристори на великі струми і напруги, і вони знайшли кілька ніш у різних областях застосування, де їх характеристики є кращими Однак вони залишаються дуже дорогими і не можуть бути віднесені в даний час до промислових виробів широкого застосування

Іншим представником сімейства замикаються тиристорів є тиристор з інтегралнш управлінням (IGCT – Integrated Gate Controlled Thyristor) У цих тиристорах переривання анодного струму досягається при подачі в ланцюг керуючого електрода струму, більшого, ніж анодний При харчуванні ланцюга керуючого електрода від низьковольтної ланцюга управління для отримання в ній великих струмів потрібно забезпечити дуже маленьку індуктивність цього ланцюга Для цього доводиться вбудовувати схему управління безпосередньо в корпус тиристора Енергія, необхідна для виключення цих тиристорів, запасається у спеціальних низьковольтних електролітичних конденсаторах з високою щільністю енергії, відомих під назвою «суперкап» Однак, хоча дані тиристори успішно застосовуються в деяких високовольтних установках, їх також не можна віднести до промислових виробам широкого застосування Обидва цих типу замикаються тиристорів поступаються звичайним тиристорам за низкою параметрів Провідний стан в них не припиняється просто так, а вимагає спеціального управління

Багаторічні розробки в області потужних транзисторів привели до прориву, коли польовий транзистор «одружили» із звичайним біполярним Результат цього шлюбу, біполярний транзистор з ізольованим затвором (IGBT – Isolated Gate Bipolar Transistor), швидко зайняв провідне положення в багатьох областях застосування Це було обумовлено народженням безлічі силових електронних систем, в яких використовувалася робота в ключовому режимі IGBT-транзистори здатні працювати на частотах, на багато порядків перевищують робочі частоти тиристорів, хоча найпотужніші IGBT-транзистори дещо обмежені гю максимальним частотам

До складу IGBT-транзистора входять pn-p (~ і п о л я p н и й потужний транзистор і польовий транзистор, і при цьому використовуються щонайкраще достоїнства обох цих приладів Вони можуть працювати при дуже великих рівнях потужностей, а так як управління здійснюється по ланцюгу затвора польового транзистора, струм в ній дорівнює нулю На Рис 132 наведені еквівалентна схема IGBT-транзистора і його вихідні вольт-амперні характеристики При збільшенні напруги затвор-емітер через IGBT-транзистор починає протікати струм, і цей струм збільшується при збільшенні напруги колектор-емітер При не дуже великій напрузі затвор-емітер після досягнення деякого значення напруги колектор-емітер зростання струму припиняється, однак при досить великій напрузі затвор-емітер настає насичення, і напруга колектор-емітер лише незначно зростає із збільшенням струму колектора Хоча IGBT-транзистори і здатні працювати в якості лінійних підсилювачів, майже завжди вони використовуються в ключовому режимі, причому в режимі насичення напруга управління вибирають настільки великим, щоб забезпечити мінімальне падіння напруги на транзисторі Типове значення падіння напруги на IGBT-транзисторі становить близько 3 В В даний час проводяться IGBT-транзистори, здатні працювати при напрузі до 6000 В і струмі до 2000 А Більшість великих IGBT-транзисторів мають пластмасові корпуси з вбудованим підставою кристала, службовцям для зєднання з теплоотводом Сама транзисторна структура складається з безлічі маленьких IGBT-транзисторів, зєднаних між собою паралельно Із зовнішніми висновками зєднання виконується за допомогою приварених дротів Багато типів IGBT-транзисторів мають вбудований діод, включений антипараллельно транзисторній структурі

Рис 132 Еквівалентна схема ЮВТ-транзистора і його вьаодние вольт-амперниехарактерістікі

Зовнішні ланцюга IGBT-транзисторів повинні забезпечувати можливість їх швидкого перемикання Час виключення може бути всього 500 нс, що при струмі в декілька тисяч ампер створює в ланцюзі вселяють страх рівні di / dt Для виключення виникнення перенапруг на транзисторах абсолютно необхідно, щоб всі паразитні індуктивності в ланцюгах IGBT-транзисторів мали мінімально можливе значення Крім того, необхідно виключати протікання через IGBT-транзистори надмірних струмів при виході з режиму насичення, коли виділяється на транзисторі потужність здатна вивести його з ладу за кілька мікросекунд А ще швидке виключення напруги управління може створити надмірну di / dt і перенапруги при виключенні системи через аварію Загалом розробник повинен, керуючи швидкістю зміни сигналу на затворі при виключенні ЮВТ-транзистора, знайти баланс між необхідністю обмеження розсіюваною потужності і кидка напруги

З усього викладеного вище можна було б укласти, що IGBT-транзистори є крихкими створіннями, але це не так IGBT-транзистори довели своє право на життя в якості ключових елементів в перетворювачах для живлення двигунів змінного струму потужністю більше 20000 л с і понижувальних перетворювачах постійної напруги для електродугових печей потужністю більше 100 МВт Це надійні прилади

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)