Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2.36 в. Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора Э (эмиттер) и К (коллектор), а в цепь управления – выводом З (затвор). Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.
Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.
а б в
Рис. 2.36. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор): а – структура; б – условное графическое и буквенное обозначение; в – эквивалентная схема
В настоящее время IGBT – транзисторы выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Semikron" и др.) и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba Semiconductor Group"). Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными контактами и изолированным основанием. Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание.
В настоящее время производство силовых IGBT-модулей освоено рядом российских предприятий электронной промышленности (АО "Электровыпрямитель", НПК "ИСЭ" и другие). Основными элементами в модулях являются IGBT-чипы, изготовленные по NPT (Non punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du/dt стойкостью, практически прямоугольной областью безопасной работы, что обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях.
Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются, составленные из нескольких транзисторов, модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT- транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.
Современные IGBT-модули находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности и др.
Тиристоры. Тиристоромназывают полупроводниковый управляемый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой p - n - p - n, имеющий два устойчивых электрических состояния – закрытое и открытое. По количеству выводов различают диодный тиристор, обладающий двумя выводами (анод и катод) и триодный тиристор, имеющий три вывода – анод, катод и управляющий электрод. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.
Тиристоры, выключение которых по цепи управления невозможно, получили название однооперационных, т.е. неполностью управляемых. Они нашли широкое применение в управляемых выпрямителях переменного тока в постоянный ток.
Одновременно с созданием тиристора начались исследования на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn OFF (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры. В середине 90-х годов фирмами “АВВ” и “Mitsubishi” был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutate Thyristor (GCT).
В России производство тиристоров GCT и GTO освоено на предприятии ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). В настоящее время фирмой “ABB” производятся запираемые тиристоры с интегрированным блоком управления (драйвером) (IGCT) с параметрами по напряжению до 6000 В, а по току до 4000 А, при частоте переключения от 500 Гц до 2 кГц, областью применения которых являются мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока) и высоковольтный электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения).
Таким образом, тиристор в электрических цепях является аналогом бесконтактного выключателя.
Структура, условное графическое и буквенное обозначение и вольт - амперная характеристика тиристора показаны на рис. 2.37.
Тиристор имеет три p - n – перехода П1, П2, П3 и три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ (рис. 2.37 а).
Питающее напряжение 
подается на тиристор таким образом, что переходы П1 и П3 открыты, а переход П2 закрыт. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все питающее напряжение (рис. 2.37 а) приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал.
Если ток в цепи управления 
отсутствует, то при повышении напряжения ток тиристора (линия ОА на рис. 2.37 в) увеличивается незначительно, пока напряжение не превышает напряжение переключения U пер (точка А). При > U пер тиристор включается, и анодный ток практически ограничивается значением сопротивления нагрузки R н (см. рис. 2.39 а). С увеличением тока управления включение тиристора происходит при меньших значениях прямого анодного напряжения. После включения тиристора его электрическое состояние характеризуется малым сопротивлением между анодом и катодом (линия ВС). Включенное состояние тиристора сохраняется и по окончании действия тока управления. Тиристор выключается, если анодный ток становится меньше тока удержания I уд (точка В). При некотором значении тока управления прямая ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) тиристора становится аналогичной ВАХ неуправляемого диода (участок ОБС), т.е. “спрямляется”; этот ток называют током управления спрямления Iу спр. Для тиристоров также как и для диодов указывают параметры обратной ветви ОD.
Рис. 2.37. Управляемый диод – тиристор: а – структура;
б – условное изображение; вольт – амперная характеристика
На практике обычно используют импульсный способ включения тиристоров, при котором ток управления формируют в виде коротких (порядка нескольких микросекунд) положительных импульсов с большой скоростью нарастания.
После окончания импульса управления тиристор остается во включенном состоянии, если анодный ток, зависящий от напряжения и сопротивления R н, будет больше тока удержания I уд.
 |
Для выключения тиристоров применяют различные схемы, построение которых во многом определяется принципом работы конкретного электронного устройства. Так при работе тиристора в цепи переменного тока, когда напряжение между анодом и катодом тиристора периодически изменяет свой знак, тиристор закрывается в момент перехода анодного тока через нулевое значение (режим свободной коммутации) и никакой специальной схемы не требуется. В цепях постоянного тока небольшой мощности для запирания тиристора могут вводиться специальные элементы, обеспечивающие кратковременное уменьшение анодного тока до уровня, меньше тока удержания, что осуществляют приложением к силовой цепи тиристора обратного анодного напряжения. Таким элементом чаще всего является конденсатор. В современных преобразовательных установках (инверторах) большой мощности применяют запираемые тиристоры GTO, GCT и IGCT.
Выпрямители
Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменный токв постоянный или пульсирующий. Выпрямители классифицируются по следующим признакам:
– по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);
– по виду выпрямительных элементов;
– неуправляемые и управляемые;
– по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);
Однофазные выпрямители. Наиболее простой однофазный выпрямитель осуществляет однополупериодное выпрямление (см. рис. 2.38 а) [11], так как ток проходит через диод VD и нагрузку R нтолько при наличии на аноде диода положительного потенциала. При этом напряжение на выходе, как и в других случаях, не является строго постоянным. Эта схема дает наибольший коэффициент пульсации k п = 1,57. Постоянная составляющая напряжение на нагрузке U 0 = 0,45 U 2.
В однофазном двухполупериодном выпрямителе на трансформаторе с выводом средней точки (рис. 2.38 б) в первый полупериод под действием напряжения 
ток проходит через диод 
, а во второй полупериод под действием напряжения 
– через диод 
. При этом как в первый, так и во второй полупериоды ток через нагрузку R н проходит в одном и том же направлении.
 |
Рис. 2.38. Схемы и временные диаграммы однофазных
выпрямителей
В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 2.40 в) в одну половину периода ток 
проходит через диод , нагрузку R н и диод 
, а в другую половину периода – через диод , нагрузку R н и диод 
. Выходное напряжение оказывается сформированным из полуволн одного знака, следующих без разрыва друг за другом. Постоянная составляющая в обоих однофазных двухполупериодных выпрямителя U 0 = 0,9 U 2 , коэффициент пульсации k п = 0,66. Частота пульсаций в однополупериодном выпрямителе соответствует частоте питающей сети, а в двухполупериодном выпрямителе она в два раза больше.
Пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются, а частота их возрастает при многофазном выпрямлении.
Однофазные управляемые выпрямители. Для примера рассмотрим однофазный управляемый двухполупериодный выпрямитель (рис. 2.39), выполненный на тиристорах по схеме с выводом средней точки трансформатора. Он содержит трансформатор напряжения с двумя одинаковыми секциями вторичной обмотки, два тиристора 
и 
. Нагрузкой выпрямителя является резистор 
.
 |
Рис. 2.39. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах
Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы напряжений (рис. 2.40). В интервале углов от 0 до 
напряжение 
положительно. Ток нагрузки 
= 
проходит по цепи (см. рис. 2.39: вывод 1 трансформатора – – – вывод 3) с момента включения тиристора , оцениваемого углом включения 
(см. рис. 2.40 г), так как в его цепи управления появляется ток 
> 0. Тиристор будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение.
В интервале углов от до 2 напряжение отрицательно. Ток нагрузки 
= проходит по цепи (вывод 2 трансформатора – – – вывод 3) с момента включения тиристора , так как в его цепи управления появляется ток 
> 0. Тиристор будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение. Далее процессы периодически повторяются.
Рис. 2.40. Временные диаграммы напряжений на нагрузке
и между катодом и анодом одного из тиристоров
Временная диаграмма напряжения на нагрузке (рис. 2.40 г) поясняет работу силовой части двухполупериодного выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку и угле управления = 45 о.
При изменении угла будет изменяться время работы тиристоров и величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого определяется выражением:
,
 |
где
– напряжение холостого хода выпрямителя при = 0.
Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения в цепи нагрузки от угла управления 
называется регулировочной характеристикой. На рис. 2.41 приведена регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки.
 |
Рис. 2.41. Регулировочная характеристика управляемого
выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку
При увеличении тока нагрузки среднее значение выпрямленного напряжения 
будет уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре. Зависимость 
называется внешней характеристикой управляемого выпрямителя. Так как потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления, внешние характеристики управляемого выпрямителя при различных углах имеют постоянный наклон (рис. 2.42).
 |
Рис. 2.42. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя
Трехфазные выпрямители. Схема простейшего трехфазного выпрямителя приведена на рис. 2.43 а.
а
 |
б
Рис. 2.43. Схемы и временные диаграммы трехфазных
выпрямителей
Принцип его работы заключается в том, что каждую треть периода ток проводит тот из диодов, который в данный момент времени имеет наибольшее положительное напряжение. На двух других диодах результирующее напряжение оказывается обратным и они не могут проводить ток. Так как фазы с наибольшим положительным напряжением последовательно сменяются, соответственно сменяются и открытые диоды. Такое самопроизвольное переключение диодов называют естественной коммутацией. В результате диоды , , 
последовательно открываются и закрываются, поочередно подключая к нагрузке R н фазные обмотки с фазными напряжениями 
. Выходное напряжение соответствует на диаграмме огибающей входных фазных напряжений. В таком выпрямителе коэффициент пульсации k п = 0,25, частота пульсаций в три раза превышает частоту питающей сети, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U 0 = 1,17 U 2ф.
Меньшую пульсацию дает трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.43 б). В нем, как и в однофазном мостовом выпрямителе, в каждый момент времени ток через нагрузку R н пропускает пара диодов (один из верхней группы – , , и один из нижней группы – , 
, 
), причем та пара, на которую действует наибольшее линейное напряжение (положительное или отрицательное). Через каждую 
периода пары сменяются в результате естественной коммутации диодов (вентилей) и напряжение на выходе формируются из отрезков полуволн линейных напряжений, как показано на диаграмме. Коэффициент пульсации k п 
0,05, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U 0 = 2,34 U 2ф.
Однофазные выпрямители применяются чаще всего в качестве маломощных источников постоянного тока. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя располагают электрические фильтры (емкостные C, индуктивные L или более сложные Г – образные и П – образные, состоящие из L и C).
 |
Трехфазные выпрямители применяются для питания нагрузок большой мощности. При необходимости дополнительного сглаживания пульсаций в мощных выпрямителях применяют катушки индуктивности, включаемые последовательно с нагрузкой [11].
Усилители
 |
Усилитель – это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.. Усилители подразделяют по нескольким признакам, основные из которых: диапазон электрических частот, род усилительных элементов, междукаскадные связи. По диапазону частот электрических колебаний, в пределах которого обеспечивается удовлетворительная работа усилителя, их делят на усилители низкой (УНЧ) и высокой (УВЧ) частоты, широкополосные и постоянного тока; по роду усилительных элементов на ламповые, полупроводниковые, магнитные; по назначению усилители делят в зависимости от выходной величины по отношению к входной – усилители напряжения, тока и мощности, которые в основном одинаковые по схемным решениям и отличаются лишь типами применяемых приборов и режимов работы. Междукаскадные связи усилителей могут быть: резисторно-емкостные, трансформаторные, резисторно-трансформаторные и резонансные.
Основные характеристики усилителей: коэффициент усиления; диапазон усиливаемых частот; выходная мощность; номинальное входное напряжение (чувствительность); коэффициент полезного действия; динамический диапазон амплитуд и уровень помех; коэффициенты нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала.
В ряде случаев бывает недостаточно одного усилительного каскада для получения необходимого значения усиливаемого параметра. В этом случае применяют многокаскадные усилители [12], состоящие из последовательно соединенных отдельных каскадов, как это показано на рис. 2.44.
Рис. 2.44. Многокаскадный усилитель
Важным показателем усилителя является коэффициент усиления, который представляет собой отношение изменения выходной величины усилителя к изменению входной величины.
Коэффициенты усиления напряжения 
, тока 
, мощности 
имеют соответственно следующие выражения:
.
Для структурной схемы, представленной на рис. 2.44
или k = ∆ U вых 3 / ∆ U вх 1.
На рис. 2.45 представлена схема каскада усилителя напряжения, где в качестве усилительного элемента используется транзистор VT типа n-p-n, включенный по схеме с общим эмиттером.
Рис. 2.45. Схема каскада усилителя напряжения:
R 1 , R 2 – резисторы, выполняющие роль делителей напряжения; E о – внешний источник напряжения, за счет которого происходит усиление в каскаде; C р1, C р2 , C бл. – разделительные и блокировочный конденсаторы 
Принцип действия каскада. При отсутствии ~ u вх в эмиттерной и коллекторной цепях проходят постоянные составляющие токов I э, I ки I б. Ток I э замыкается по цепи: + U 2 → Б → Э →R э → - U 2. Ток I к замыкается по цепи: + U 1 → R к → К → Б → - U 1. I б = I э - I к. Напряжение U 1 = R 1 I д, а U 2 = R 2 I д. Ток I д > I э и I к. Резисторы R 1 и R 2 создают напряжение смещения U см на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Разделительный конденсатор С р2 не пропустит на выход каскада постоянную составляющую напряжения U к = R к I к.
При подаче на вход каскада усилителя синусоидального напряжения ~ u вх в цепях эмиттера и коллектора появятся переменные составляющие токов i э, i к, i б. Под действием напряжения ~ u к = R к i к в выходной цепи будет проходить ток i вых, который создает на сопротивлении R н выходное напряжение ~ u вых = R н i вых, сдвинутое по фазе на угол 180о по сравнению с ~ u вх. Если R к и R н выбрать достаточно большими (1-3 кОм и больше), то ~ u вых >> ~ u вх.
Блокировочный конденсатор C бл защищает источник питания Е о от прохождения через переменного тока i вых.
Стабилизирующий резистор R э обеспечивает отрицательную обратную связь по току, которая автоматически стабилизирует режим работы усилителя при изменении параметров транзистора. Чтобы не вводить обратную связь по переменному току и не снижать коэффициент усиления каскада, резистор R Э шунтируют конденсатором С Э достаточно большой емкости (десятки микрофарад).
В многокаскадных усилителях, например, первые каскады могут быть каскадами по напряжению, а последний – каскадом усиления по мощности.
В усилители часто вводят отрицательные обратные связи (ООС) по напряжению или по току. При ООС усилителя коэффициент усиления уменьшается. Однако проигрыш в усилении при ООС компенсируется значительным качественным выигрышем – уменьшаются частотные и нелинейные искажения и влияние всякого рода помех, поступающих на вход усилителя, так как напряжение ОС находится в противофазе с ними.
Операционные усилители. Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входным каскадом, с большим коэффициентом усиления, широкой полосой пропускания (f в = 10 – 100 МГц), высоким входным сопротивлением, малым выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля, высоким подавлением синфазных сигналов, несимметричным выходом. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним усилитель мощности.
