СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2014 Новые электронные приборы на основе GaAs и их применение в различных видах приводов В статье рассматриваются вопросы применения ВЧ и СВЧ силовых i-GaAs компонентов для управления ионно-плазменными, индукционными и ДВС-двигателями. Александр Гордеев (г. Ульяновск) 1 Во входную цепь затвора JFET (в цепь управления p-n-затвора) включается GaAs диод с нулевым начальным прямым смещением U F0 и со значениями U F /I F max  0,3 В; U RRM >>U GS (обратное напряжение), ёмкость входного диода на порядок (и более) меньше ёмкости затвора. Данное схемотехническое решение предотвращает несанкциониро- ванное включение управляющего (затворного) p-n-перехода в прямом направлении. Э ЛЕКТРОПРИВОД Принцип действия любых типов элек- тропривода основан на преобразовании электрической энергии в достаточно мощное магнитное поле, которое при взаимодействии с электрическим пре- образуется в механическую энергию. Получаемая при этом мощность опре- деляется в значительной мере достигае- мой напряжённостьюмагнитного поля. В то же время напряжённость магнит- ного поля прямо пропорциональна ско- рости изменения тока в проводнике, это поле формирующем. Для управления работой двигателя в настоящее время всё чаще применяют импульсные частотозадающие генера- торы, позволяющие за счёт полупрово- дниковых коммутирующих элементов формировать в обмотках ток, изменя- ющийся по заданному закону с нужной скоростью. Для повышения КПД таких генераторов и достижения высоких частот вращения необходимо исполь- зование как можно более быстродей- ствующих переключающих элементов, способных коммутировать значитель- ные напряжения и токи (единицы кило- вольт при токах в сотни ампер). Следует отметить, что крайне желательно обе- спечить работоспособность этих сило- вых элементов и управляющих схем при максимально возможных темпе- ратурах, что позволит упростить зада- чу отвода тепла и повысит надёжность и долговечность систем в целом. В последние годы достаточно актив- но ведутся работы по созданию высо- кочастотной силовой электроники на основе арсенид-галлиевых полупро- водников методом кристаллизации из жидкой фазы (LPE i-GaAs). Послед- ние достижения в этой области [1] дают уверенность в возможности серийно- го производства систем управления электроприводом (и другими движи- телями, основанными на использова- нии электроэнергии) принципиально нового поколения. Следует особо отметить, что арсе- нид-галлиевые приборы в рамках тех- нологии выращивания из жидкой фазы могут быть любого известного типа, то есть возможно изготовление биполярных и полевых транзисторов (в том числе с изолированным затво- ром и управляющим p-n-переходом), тиристоров (в том числе и оптотири- сторов), IGBT-модулей, диодных клю- чей (в том числе диодных столбов для повышения рабочего напряжения) и т.д. В таблице приведены предельные характеристики для i-GaAs приборов, рассчитанных на допустимые напря- жения до 1200 В. Радикальное повышение доступных скоростей изменения тока при исполь- зовании i-GaAs приборов даёт возмож- ность значительно улучшить и кон- струкцию собственно электродвигате- лей, так как снижаются необходимые значения индуктивности обмоток, что ведёт к уменьшению их веса при той же мощности. Повышение удель- ной мощности на единицу веса явля- ется крайне важной характеристикой для множества приложений, особен- но для аэрокосмической промышлен- ности и других транспортных средств. Например, в современном авиалайне- ре А-380 используется не менее 300 раз- личных электродвигателей, питаемых относительно низковольтной бортовой сетью переменного тока. Повышение напряжения в такой сети до 220/380 В и увеличение рабочей частоты преоб- разователей, что становится возмож- ным при использовании i-GaAs клю- чевых и управляющих компонентов, позволит снизить не только массу соб- ственно электродвигателей, но и соеди- нительных проводов. Фактически можно сделать вывод, что силовые приборы нового поколе- ния позволяют радикально улучшить все основные характеристики систем электропривода, что особенно важ- но для таких быстроразвивающихся сфер применения, как беспилотные летательные аппараты (в том числе с использованием солнечной энергии), гиперзвуковые ЛА и, наконец, электро- мобили, позволяя в последнем случае значительно упростить проектирова- ние моторных колёс. Дополнительные сведения об ожида- емых характеристиках LPE i-GaAs при- боров можно почерпнуть из публика- ций [1, 2]. Предельные характеристики i-GaAs полупроводниковых приборов различного типа Классы приборов Максимальное значение токов и напряжения (для кристалла) Скорость нарастания di/dt, А/с Время восстановления заряда при +250°С, нс Предельная частота коммутации, МГц Предельная рабочая температура, °С UFRED 200 А, 1200 В (1–5) × 10 9 50 3,0 +250 СOOL 800 А, 1200 В до 10 10 120 2,0 GTO 300 А, 1200 В 10 10 100 2,0 MCT/ETO 300 А, 1200 В 10 10 20 4,0 Оптотиристор 300 А, 1200 В 5 × 10 11 100 5,0 Биполярные n-p-n и p-n-p 100 А, 1200 В 5 × 10 10 30 10,0 IGBT (n-канальные, p-канальные) 300 А, 1200 В 5 × 10 9 50 3,0 MOSFET (n-канальные, p-канальные) 50 А, 1200 В 5 × 10 9 10 10,0 JFET (с защитным входным диодом, n- и p-канальные) 1 100 А, 1200 В 5 × 10 11 10 30,0 Столбы (10–100) А, 6500 В 2 × 10 9 50 2,0 © СТА-ПРЕСС