Силовые полупроводниковые приборы

1. Перспективы использования полупроводниковых приборов в электроэнергетике

Устройства FACTS представлены в диапазоне мощностей от десятков до сотен мегаватт.  В основном, устройства FACTS выполняется на базе системы преобразователей переменного тока в постоянный (и/или наоборот) и мощных коммутаторов переменного тока. В свою очередь, преобразователь выполняется на базе вентилей (с другим оборудованием), и каждый вентиль в свою очередь представляет собой силовые приборы с демпфирующими цепями и цепями управления включением и отключением. Аналогично, каждый коммутатор (ключ) переменного тока состоит из встречно включенных силовых приборов  с цепями демпфирования и управления. Номинальные параметры силовых приборов обычно лежат в диапазоне: 1-5 кА  и 5-10 кВ, однако реальное использование составляет от 25 до 50 % от их номинальных значений.  Это означает  что,  преобразователи и выключатели переменного тока состоят из большого количества силовых приборов. Преобразователи, выключатели переменного тока, и силовые приборы могут соединяться между собой последовательно или параллельно, в зависимости от мощности и назначения устройства FACTS; в некоторых случаях устройства FACTS  могут иметь однофазное исполнение. Изложенные соображения обеспечивают возможность проведения необходимых изменений на основе модульной конфигурации устройств, для эффективного использования силовых приборов в зависимости от заданных требований. Модульное исполнение устройств, используемое должным образом, приводит не только к уменьшению его стоимости из-за применения стандартных модулей и подмодулей, но также оказаться ценным качеством с точки зрения   надежности, избыточности и использования капиталовложений.

Свойства и характеристики приборов, и их эксплуатационные показатели существенно влияют на стоимость, исполнение, размер, вес, и величину потерь в устройствах FACTS, также как и в любых применениях силовых приборов. Таким образом, необходимо учитывать стоимость всех устройства, включая демпферные цепи,  цепи управления, трансформаторы и другое электромагнитное оборудование, фильтры, системы охлаждения, потери, исполнение и требования к техническому обслуживанию. Например, возможность быстрого переключения ведет к уменьшению компонентов демпферной цепи, снижению потерь в этих цепях, что, в свою очередь, обеспечивает меньшую генерацию гармоник и большее быстродействие устройств FACTS.  Сказанное является особенно важным при использовании специальных устройств FACTS  в качестве активных фильтров.

В промышленных сетях малой мощности нашли применение разнообразные усовершенствованные схемы, которые внедрялись в основном из-за низкой себестоимости;  экономическая целесообразность применения аналогичных устройств в сетях большой мощности в значительной степени является функцией улучшения характеристик устройств. К этим усовершенствованиям относятся широтно-импульсная модуляция  (PWM), «мягкое» включение, резонансные преобразователи, прерыватели и другие. Отметим, что в конструкции FACTS  обычно применяется устройства с наилучшими характеристиками, несмотря на их более высокую стоимость. Хотя стоимость является существенным фактором, было бы более корректно сказать, что применение устройств с наилучшими характеристиками  влияет на параметры FACTS и обеспечивает их конкурентоспособность, обеспечивая тем самым специфические технические возможности, которые получаются  по наименьшей возможной цене. Таким образом, стоимость, эксплуатационные качества, и рыночный успех устройств FACTS сильно зависит от развития полупроводниковых приборов и их технического исполнения. Фактически проектировщики устройств FACTS, могут выиграть очень многое  за счет обсуждения с поставщиками оборудования наивысших требований к характеристикам приборов, их технического исполнения и комплектующих, не допуская при этом применения устаревшей аппаратуры в конструкциях FACTS.  Для использования технологий FACTS важно наличие общей идеи относительно параметров полупроводниковых приборов, их технологии и будущей тенденции, а также принципиальные схемы, используемые в энергетике и промышленности.

Таким образом, силовые электронные приборы –  это быстродействующие устройства, выполненные  на базе однокристальной силиконовой пластины высокой чистоты, разработанные для различных коммутационных  операций. Приборы могут быть управляемыми как на включение так  и на выключение протекающего электрического тока,  посредством подачи импульсов на  управляющие электроды, называемые затворами. Некоторые полупроводниковые устройства разработаны без возможности запирания, т.е. блокирования протекания тока в обратном направлении, в этом случае данное свойство обеспечивается другим блокирующим прибором (диодом), включенным последовательно или встречно - параллельно.

В основном,  силовые полупроводниковые приборы  включают диоды, транзисторы и тиристоры. Условные обозначения основных устройств, относящихся к этим категориям, представлены на Рис.1. В последующих параграфах изложено краткое описание этих трех категорий и далее  несколько подробнее рассмотрены некоторые специальные устройства.

Диоды. Диоды - это группа двухслойных устройств с односторонней проводимостью. Направление проводимости в диодах имеет место от анода к катоду (в прямом направлении), когда анод имеет положительную полярность относительно катода.  В данных устройствах не предусмотрена возможность управления проводимостью в прямом направлении. Однако существует возможность запирания диода  в обратном  направлении, при положительной полярности напряжения катода относительно анода. Диод является важным элементом в нескольких устройствах  FACTS .

Транзисторы. Транзисторы -  это группа трехслойных устройств. Транзистор переходит в состояние проводимости в прямом направлении, когда на одном из его электродов, называемым коллектором, появляется положительное напряжение относительно другого электрода, называемого эмиттером, при условии подачи на третий электрод, называемым базой, включающего сигнала тока или напряжения.  В случае, если подаваемый на базу сигнал тока или напряжения меньше необходимого для полного включения устройства, в устройстве будет протекать ток до тех пор, пока будет приложено напряжение к аноду относительно катода. Транзисторы нашли широкое применение в системах малой и средней мощности. Один из транзисторов, известный как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT, раздел 11) был специально разработан для широкого применения в установках средней и большой мощности, от нескольких МВт до нескольких десятков МВт. Таким образом,  IGBT является достаточно важным элементом для устройств  FACTS. Метало-оксидный полевой транзистор MOS (MOSFET) является другим типом транзистора, который  используется только в системах низкого напряжения, но для которого характерна возможность очень быстрого  включения и выключения, а так же данный тип транзистора часто используется  как  усилительное  устройство затвора мощных тиристоров.

Рис. 1. Полупроводниковые приборы: (a) диод, (b) транзистор, (c) интегрированный биполярный транзистор с затвором (IGBT ), (d) полевой транзистор MOS (MOSFET), (e) тиристор, (f) тиристор с возможностью управления моментом выключения (GTO)  и тиристор с управляемым затвором (GCT), (g) тиристор MOS с возможностью управления моментом выключения (MTO), (h) тиристор с управляемым эмиттером (ETO) , (i) управляемый тиристор MOS (MTO).

Тиристоры.  Тиристоры (раздел 6) - это семейство четырехслойных приборов. Тиристор переходит  в состояние полной проводимости в прямом направлении (отпирается), когда на одном из его электродов (аноде) появляется положительное напряжение относительно другого электрода (катода), при условии подачи на третий электрод, называемым затвором, включающего сигнала (импульса) тока или напряжения. Проводимость отпирания является необходимой для обеспечения низких потерь в проводящем состоянии, что будет объяснено в разделе 6. Конструкция некоторых тиристоров не предусматривает наличие затвора, управляющего выключением устройства,  в этом случае тиристор переходит из проводящего в непроводящее состояние только в случае, когда обеспечивается прохождение тока через нуль какими-либо другими средствами. В некоторых других тиристорах конструкцией предусмотрено наличие управляющих затворов обеспечивающих включение и выключение тиристора. Тиристор может быть разработан с возможностью запирания в прямом и обратном направлениях (симметричное устройство) или только в прямом направлении  (асимметричное устройство). Тиристоры являются наиболее важными приборами для устройств FACTS .

По сравнению с тиристорами, транзисторы имеют лучшие эксплуатационные характеристики, а именно более быстрое срабатывание и меньшие потери при коммутации.  С другой стороны, тиристоры характеризуются меньшей величиной потерь в проводящем состоянии  и более высокой допустимой величиной мощности, чем транзисторы.  Однако, непрерывно предпринимаются попытки разработать устройства с  улучшенными характеристиками, а именно с пониженными коммутационными и постоянными потерями при одновременном увеличения мощности приборов.

1.1. Основные типы  силовых тиристоров

 Формально, термины «тиристор» и «кремниевый управляемый выпрямитель» относятся к основной группе управляемых четырехслойных полупроводниковых приборов, в которых включение и выключение зависит от взаимодействий  и положительной обратной связи в структуре p-n-p-n (более детально описано далее в разделе 6). Название «управляемый кремниевый выпрямитель» (SCR)  было предложено изобретателями и первыми производителями  компании Дженерал Электрик  (GE). В соответствии со свойствами прибора, в котором предусмотрена возможность включения, но не  выключения,  термин SCR позднее был заменен на термин «тиристор».  С появлением устройства с возможностью включения и выключения, названного тиристор с возможностью управления моментом выключения, названным GTO-тиристор, прибор с возможностью только включения стали называть  «обычным тиристором» или просто «тиристором».  Остальным приборам, относящимся к тиристорам  или SCR, были даны другие названия, согласно их аббревиатуре. В данной работе использование термина тиристор подразумевает обычный  тиристор.

Когда отпирающий импульс тока распространяется с затвора на катод, обеспечивается быстрый переход тиристора в состояние полной проводимости в прямом направлении с низким падение напряжения (от 1,5 до 3 В, в зависимости от типа тиристора и тока).  Как упоминалось выше, обычный тиристор не может уменьшать свой ток до нуля; напротив, момент уменьшения величины тока до нуля определяется свойствами внешней цепи. Когда ток цепи становиться равным нулю, тиристор в течение нескольких десятков микросекунд действия обратного запирающего напряжения восстанавливает свои изолирующие свойства, после чего  до следующего импульса включения тиристор находится в непроводящем состоянии.

 Из-за низкой стоимости, высокой эффективности, надежности, большого ресурса, возможности использования на большие токи и напряжения, обычные тиристоры повсеместно используются в случае, когда конфигурация цепи и ее технико-экономические требования позволяют использовать приборы без возможности управления моментом их выключения.  Зачастую возможность управления моментом выключения не предоставляет каких-либо существенных преимуществ, а только лишь приводит к увеличению стоимости и потерь в приборах. Обычные тиристоры используются почти во всех проектах ППТ, а также  некоторых устройствах FACTS, но их наибольшее их процентное содержание  приходиться на промышленные установки. Их часто называют основным элементом энергетической электроники.

Существует несколько конструкций тиристоров с возможностью управления выключением; ниже приведены основные из них и используемые в технологии FACTS:

• Тиристор с возможностью управления моментом выключения, изобретенный в фирме Дженерал Электрик (GE), будем далее называть как GTO-тиристор или просто GTO. Подобно обычному тиристору, GTO переходит в полностью проводящее состояние в прямом направлении с низким падением напряжения, когда включающий импульс тока подается на его затвор относительно катода. Подобно обычному тиристору, GTO выключается, когда естественным образом ток становиться равным нулю, но в GTO предусмотрена также возможность управления моментом выключения посредствам подачи выключающего импульса на его затвор в обратном направлении.  При соответствующих параметрах импульса, GTO быстро выключается и быстро восстанавливает изолирующие свойства, сдерживающее прямое напряжение, таким образом, что прибор готов к следующему импульсу включения. Тиристоры  GTO  широко используются в устройствах FACTS; однако, из-за их мощных цепей формирования запирающих импульсов,  медленного выключения, дорогостоящих демпфирующих цепей, вероятно, что  через несколько лет они будут заменены усовершенствованными GTO и тиристорами. Эти усовершенствованные отключаемые приборы, которые в свою очередь относятся к классу тиристоров, имеют собственную аббревиатуру  и будут более детально описаны далее в этом разделе.
• Тиристор MOS с возможностью управления моментом выключения (MTO), изобретенный Харшадом Мехта (Harshad Mehta) в Корпорации высоковольтных кремниевых устройств (SPCO), выполненный на базе транзисторов для достижения быстрого выключения с маленькими коммутационными потерями. Коммерческое использование данного устройства началось недавно и имеет хороший потенциал для использования в промышленных установках средней и большой мощности, и устройствах FACTS.
• Тиристор с управляемым эмиттером (ETO), разработанный в Центре высоковольтной электроники в Вирджинии при сотрудничестве с SPCO, является другой разновидностью GTO, и состоит из последовательно включенных транзисторов низкого напряжения с высоковольтными GTO, для обеспечения необходимого быстрого выключения и низких коммутационных потерь.
• Интегрированный тиристор с коммутируемым затвором  (GCT и IGCT), разработан компаниями Мицубиси и  ABB, выполнен на базе GTO с  жестким выключением, который в комбинации с другими устройствами, достигает быстрого  выключения и низких коммутационных потерь отключения. Данный прибор также недавно было введено в эксплуатацию и имеет потенциал для широкого применения в промышленных системах и FACTS.
• Управляемый тиристор МОS (MCT), был изобретен Виктором Темпле, сотрудником GE, является основным  прибором, относящимся к тиристорам, которое выполнено на базе интегрированной МОS структуры с возможностью быстрого включения и выключения. Наряду с очень маленькими коммутационными потерями прибор также характеризуется низкими потерями проводимости. Данные приборы предназначены для применения в маломощных системах, но имеют хорошие перспективы для использования в FACTS.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЩНЫХ ПРИБОРОВ И ТРЕБОВАНИЯ К  НИМ

2.1 Номинальные напряжение и ток

Основным элементом приборов большой мощности обычно является тонкая одно-кристаллических  кремниевая пластина диаметром 75-125 мм, а иногда и 150 мм в диаметре. Прибор на базе пластины одного и того же диаметра может выполняться на высокое напряжение и маленький ток, или наоборот.

Потенциально, кремниевый кристалл имеет очень высокую пробивную прочность 200 кВ/см, а величина его удельного сопротивления находиться между значениями характерными для металла и диэлектрика. Добавление примесей позволяет изменить характеристики проводимости элемента. С добавлением примесей, увеличивается число носителей зарядов, и в результате этого допустимое значения напряжения уменьшается, а величина тока увеличивается. Меньшее количество присадок обеспечивает более высокое допустимое напряжение, но способствуют увеличению потерь напряжения и уменьшению допустимого тока. В некоторой степени допустимый ток и напряжение являются взаимозаменяющими величинами, как упоминалось выше. Больший диаметр пластины, естественно, обеспечивает более высокий допустимый ток. Прибор диаметром 125 мм может иметь допустимый ток 3000-4000 А, а напряжение может изменяться в диапазоне 6000-10000 В.  Так как данный отчет посвящен другим вопросом, в нем не будут излагаться детальные объяснения, а будут отмечены лишь важные параметры различных приборов.

Использование приборов с более высокими номинальными параметрами позволяет уменьшить их суммарное количество и  количество других компонентов, что приводит к уменьшению себестоимости устройства в целом. Наибольшие значения обратного напряжения,  наряду с другими желательными характеристиками, обеспечивается следующими устройствами: тиристорами - 8-10 кВ, GTO -  5-8 кВ,  IGBT -  3-5 кВ.  После определения возможных перенапряжений и необходимых запасов, напряжение, на которое включается прибор, выбирается приблизительно равным половине обратного напряжения. Зачастую необходимо последовательное соединение приборов для создания  высоковольтных вентилей. Одинаковое распределение напряжения в момент включения, выключения, и динамические изменения напряжения являются главными показателями для проектировщиков вентилей при  выборе необходимого прибора из ряда приборов с различными характеристиками. Одним из таких показателей является соответствие приборов, особенно их коммутационных  характеристик.

Мощные силовые приборы могут быть разработаны на токи нагрузки порядка несколько тысяч ампер, таким образом, параллельное соединение приборов не является необходимым. Однако, так как часто ток режима короткого замыкания, определяет требуемую пропускную способность устройства, согласованное параллельное соединение двух  приборов на один и тот же  теплоотвод является хороший решением. Обычно требуется переход в запертое состояние после протекания тока замыкания в течение одного периода в контуре, в котором установлен прибор. В то время как в обычной практике в промышленной электронике используются  плавкие предохранители, их применение нежелательно в таких высоковольтных устройствах как FACTS. При выборе прибора необходимо учитывать все возможные неисправности и действия  защиты, для определения допустимого тока и напряжения, также как необходимых запасов (избыточности). Приборы, относящиеся к группе тиристоров, выдерживают кратковременную перегрузку по току  и большой ток замыкания в течение одного периода без каких-либо повреждений. В поврежденном состоянии тиристор или диод представляют собой короткозамкнутые элементы с малыми потерями напряжения, таким образом, остальная цепь может находиться в дальнейшей эксплуатации при выполнении  функций оставшимися устройствами.

В соответствии с рыночными требованиями, предъявляемым к преобразователям (которые подробно описаны в разделе П3: преобразователи, выполненные на базе источника напряжения), большинство устройств, выполняемых с возможностью управления моментом выключения, не обладают  возможностью запирания в обратном направлении. Данные устройства упоминались как асимметричные устройства с возможностью выключения, которые часто называют просто устройства с возможностью выключения. Устройства, в которых не предусмотрена возможность запирания обратного напряжения,  в техническом исполнении являются  менее массивными, имеют меньшие коммутационные и постоянные потери. И наоборот, более высокое допустимое напряжение в направлении проводимости  может быть получено при использовании асимметричных устройств.  Оказалось, что в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, требуется установка встречно-параллельно диода, подключенного к каждому основному прибору. В данном случае применяются специальные диоды с маленьким обратным током утечки для обеспечения  необходимых требований для включения  основных приборов.

Однако, в  преобразователях, которые будут подробно описаны в разделе П4, выполненных на базе источника тока, требуются приборы с возможностью запирания обратного напряжения. Однако, из-за большого объема асимметричных силовых установок и с учетом их себестоимости, в промышленных установках используют последовательное соединение диодов  с асимметричным главным прибором, для получения возможности запирания.

2.2 Коммутационные потери и скорость коммутации

Полупроводниковые приборы, кроме допустимого напряжения и тока, имеет и другие  характеристики. Наиболее важными среди них являются:

• Падение напряжение в прямом направлении и потери в состояние полной проводимости (постоянные потери). Т.к. потери вызывают нагрев кристаллических пластин, необходим быстрый отвод тепла от всего прибора, а  наличие системы охлаждения приводит к существенному удорожанию устройства.   
• Скорость коммутации. Переход из состояния полной проводимости в непроводящее состояние (выключение) сопровождается высоким значением  dv/dt  сразу после выключения, а переход из полностью непроводящего состояния к проводящему (включение) сопровождается высоким значением di/dt, данное отношение является так же важной величиной и при выключении. Значение величин di/dt и   dv/dt определяют размер, стоимость, и потери в демпфирующих цепях, которые необходимы, чтобы  уменьшать эти показатели,  возможность применения последовательного соединения приборов, а также   значения номинального тока и напряжения прибора.
• Коммутационные потери. При включении устройства  происходит увеличение тока в прямом направлении; в течение процесса выключения GTO-приборов наблюдается повышение прямого напряжения до момента уменьшения тока. Одновременное существование значительного напряжения и тока в приборе обусловливает потери мощности. Так как данные потери носят повторяющийся характер, они составляют существенную часть суммарных потерь и часто превосходят постоянные потери проводимости. В конструкции полупроводниковых приборов предусмотрена возможность компромиссного  изменения соотношения между коммутационными и постоянными потерями, это в свою очередь означает, что оптимизированная конструкция устройства является функцией топологии цепи, в которой оно установлено. Даже если номинальная частота сети составляет 50 или 60 Гц, как будет позже отмечено в разделах П3 и П4, преобразователи с «широтно-импульсной модуляцией  (PWM)» для применения в мощных силовых устройствах имеют высокую внутреннюю частоту порядка несколько сотен Гц, и даже несколько кГц. Многократная коммутация приводит к тому, что коммутационные потери могут стать преобладающими в суммарных потерях в PWM преобразователях.
• Мощность, необходимую для  затвора и количество потребляемой энергии определяют важную часть потерь и полную стоимость оборудования. При большом и длительном импульсе тока, необходимом для включения и выключения прибора, существенной являются не только величина этих потерь относительно суммарных, но и стоимость устройства формирования импульса и цепей питания может быть выше, чем стоимость самого прибора. Размер всех дополнительных компонентов силовой установки увеличивает ее паразитную индуктивность и емкость, которые в свою очередь вызывают ухудшение характеристик приборов, а именно время коммутации и потери в демпфирующих цепях.  Учитывая важную роль взаимодействия между прибором, контуром управления  и модулем в целом, в будущем основным направлением будет покупка у поставщика прибора и цепей управления как одного единого модуля.

Величине потерь необходимо уделять особое внимание по следующим двум причинам:

• Очевидно, что потери приводят к излишним затратам потребителя. В независимости от типа потребителя (промышленный или непромышленный), их потери неизменно определяются на основании оценки полной длительности работы, т.е. величина потерь может быть оценена от 1000$ до 5000$ за  кВт потерь для определения стоимости устройства.  Например, если 1 кВт устройства FACTS стоит 100$  и его потери составляют 2 % (т.е. для каждого 1 кВт потери составляют 0,02 кВт), таким образом, при соответствующей удельной стоимости потерь 2000$ за 1кВт, стоимости потерь будет равна 40$ за 1 кВт, т.е. непосредственно 40 % стоимости преобразователя. Поэтому коэффициент полезного действия для устройства FACTS мощностью несколько сотен МВт должен быть больше, чем 98 %, и потери в вентилях преобразователя должны быть меньше чем 1 %.
• Так как потери вызывают нагрев устройства, необходимо его эффективное охлаждение, т.е. передачу тепла от  кристалла на наружную поверхность высоковольтного герметичного изоляционного устройства к внешнему хладагенту. По этой причине, обеспечение  необходимой конструкцию и охлаждения прибора является достаточно трудной задачей, т.к. необходимо гарантировать, чтобы температура кристаллов не превышала допустимый эксплуатационный уровень, который  составляет около .  Необходимо также гарантировать, чтобы прибор работал с безопасными коммутационными характеристиками и обладал достаточным запасом для перегрузки и токов замыкания. Зачастую, величина тока короткого замыкания определяет характеристики нормальной работы прибора. Большие потери в устройстве означают увеличение его стоимости, влияние на которую оказывают также тепловые потери при водяном или воздушном охлаждение, размер и вес установки в целом.

2.3 Компромиссные решения  при выборе параметров приборов

Стоимость приборов зависит от доли  качественной продукции в общем объеме произведенных приборов, которые затем разделяются на группы по разным параметрам. Это требует постоянного контроля качества продукции  на всех этапах производства приборов:  от исходного материала до готового изделия, включая необходимое качество электроснабжения на предприятии. Все силовые приборы для мощных устройств  FACTS проходят индивидуальное тестирование, так же как и приборы, используемые в преобразователях  ППТ, при этом ведется статистика и архивирование их результатов для будущего сервисного обслуживания.

Кроме компромиссных величин допустимых напряжений и токов, другими взаимосвязанными и допускающими компромиссный подход параметрами являются:

• Мощность, необходимая для затвора
• величина di/dt
• величина  dv/dt
• время включения и выключения
• включающая и   отключающая способность (так называемая область безопасной работы – SOA, Safety Operating Area)
• стабильность характеристик
• качество исходных кремниевых кристаллов
• экологическая безопасность при производстве приборов, и т.д.

Отметим, что разработка новых конструкций и методов непрерывно продолжается. Учитывая большой ассортимент,  изготовитель проводит анализ потребностей рынка и разделяет его на области применения того или иного прибора. Также  у изготовителей зачастую используются практика выпуска специальных устройств для индивидуальных больших заказчиков и проектов, таких как FACTS и ППТ.

Полупроводниковые приборы часто характеризуют скоростью коммутации, коммутационными потерями, размером и стоимостью демпфирующих цепей и связанными с ними потерями, что в значительной степени обусловлено продажей прибора отдельно от устройств и цепей управления и демпфирующих цепей. В ходе обсуждения изложенного в данном разделе материала станет ясно, что работа прибора связана с  цепями, управляющими затвором, демпферными цепочками и конструкцией шин для соединения отдельных модулей  в комплектный преобразователь, в соответствии с указанным порядком их очередности. Если приборы, цепи управления, демпфирующие цепочки, будут близко расположены от сборных шин, то есть если сборка и продажа оборудования будет осуществлена в виде единого блока, это позволит значительно уменьшить стоимость оборудования. Фактически электрическое и механическое объединение собственно полупроводниковой пластины и ее цепей управления, обеспечивает значительные преимущества применения. Для промышленных установок малой  и средней мощности, существует распространенная практика поставки нескольких собранных приборов в виде блока или модуля, которые составляют полную схему или ее часть. Данная практика позволяет уменьшить стоимости сборки, исключая необходимость обслуживания объединения нескольких элементов, начиная с кристаллического устройства и цепей управления. Именно с этим намерением, американское научно-исследовательское управление ВМС (ONR, Office of Naval Research) выработало программу для электронного оборудования, названную «Модульное построение силовых электронных устройств (PEBB)», посвященную всем аспектам взаимодействия, включая собственно прибор,  цепи  управления, сборку,  шины, что позволило уменьшить полную стоимость преобразовательной установки, потери, весовые показатели и размеры. Эта основное направление развития  привело к значительным успехам, которые повсеместно признаются. Поставка устройств осуществляется с заранее установленными  цепями управления  и демпфирующими цепями от различных производителей, необязательно со ссылкой на PEBB.

3. Материалы полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы выполняются на базе одно-кристаллических кремниевых пластин  высокой чистоты. Монокристаллы длиной несколько метров и требуемым диаметром (до 150 мм) выращиваются в так называемой зоне плавания в специальных печах. Затем этот огромный кристалл разрезается на тонкие пластины, которые используют в  силовых установках после многоступенчатого технологического процесса.

Чистые атомы кремния имею по четыре электрона для  связи с соседними атомами в узлах кристаллической решетки. Данных материал характеризуется высоким удельным сопротивлением (диэлектрик) и очень высокой электрической прочностью (более чем 200 кВ/см). Его удельное сопротивление и количество носителей заряда могут быть изменены, посредствам изменения в различных слоях  пластины путем введения определенных примесей (присадок). Применяя различные примеси, уровни и формы их добавления, наряду с применением высоких технологий  фотолитографии, лазерной резки, травления, изоляции и сборки,  выпускают мощные приборы с заданными характеристиками.

Добавляемые в пластины кристалла кремния примеси разделяют на доноры и акцепторы. Например, фосфор является донором, так как его атом имеет пять электронов, в то время как кремний четыре. При внедрении атома фосфора в кремний, он занимает место в узле кристаллической решетки с одним дополнительным электроном. Этот дополнительный электрон может быть легко смещен  электрическим полем.  Когда электрон смещается от  атома фосфора, это приводит к образованию на его месте положительно заряда (называемого дыркой), которое ожидает заполнения каким либо другим электроном, на месте которого в свою очередь также образуется дырка. Таким образом, при приложении электрического поля, начинается движение электронов и дырок в направлении проводимости. Фосфор называется  n примесью, т.к. данный элемент увеличивает число отрицательно заряженных частиц (электронов), участвующих в процессе проводимости. Когда добавление фосфора в кремний  незначительно, его обозначают как n^- примесь, а когда количество добавленного фосфора значительно, то, как n⁺ примесь.

Другой добавляемой примесью является бор, который выполняет функции  противоположные фосфору. Данный элемент имеет три электрона в атоме, таким образом, при внедрении атом бора в кремниевую кристаллическую решетку, образуется дырка, которая может быть заполнена движущимся электроном. В случае, когда место заполнено атомом бора, это приводит к образованию отрицательного заряда в этой точке кристаллической решетки, ожидающему нейтрализации дыркой из другой точки решетки, которая в свою очередь приобретает отрицательный заряд, таким образом, образуется возможность перемещения дырок. Добавку бора называют p примесью, т.к. он увеличивает количество положительных дырок, участвующих в процессе.   При небольшом добавлении р элемента в кремний используется обозначение p^-_,  при значительном - p⁺ .

Таким образом, перенос заряда при приложении электрического поля, обеспечивается свободными электронами в кремнии с n примесями, и дырками в кремнии с p примесями.

Дырки в  кремнии с p примесями называются основными носителями заряда, а электроны в этом случае называются неосновными носителями. В кремнии с n примесями, наоборот, электроны являются основными носителями, а дырки  - неосновными.

 В дополнение к носителям заряда, наличие которых обеспечено введенным примесями в материал прибора, существует так называемая внутренняя проводимость, которая обусловлена одинаковым количеством электронов и дырок, появляющихся под действием температурного возбуждения. Проводимость данного вида имеет место непрерывно, при этом происходит рекомбинация носителей заряда в соответствии с их временем жизни, таким образом, обеспечивается необходимое равновесие плотности носителей заряда порядка  в диапазоне от 0°С до 100°С.

Для достижения большой величины запирающего напряжения, требуется небольшое количество примесей (меньшее количество носителей заряда), что приводит к тому, что процесс переноса заряда в большей степени обусловлен внутренней проводимостью. Так как внутренняя проводимости являются функцией температуры, ее составляющая становиться существенной и даже основной при протекании больших токов.

 В качестве исходного материала для мощных высоковольтных полупроводниковых приборов используются кремниевые пластины, облученные нейтронами в реакторе. В зависимости от степени облучения, изменяется количество кремниевых атомов, преобразованных в атомы фосфора, таким образом, обеспечивается добавление n примеси в кремний, но с  низкой и однородной концентрацией, порядка , что сопоставимо с концентрацией внутренних носителей. При диффузии в высокотемпературных печах и других процессах, в тонкой пластине с низким уровнем n примесей происходят изменения за счет многократного добавления примесей слоями, каналами и т.д., что необходимо  для определенных устройств. 

Источник:Hingorani N., Gyugyi L. «Understanding FACTS» - IEEE Press - Wiley, 2000. (Chapter 2. «Powersemiconductordevices»)