книги / Силовые полупроводниковые приборы
..pdf
|
Таблица 1.2 |
Конструктивное исполнение корпуса прибора |
Обозначение |
Штыревой с гибким выводом |
1 |
Штыревой с жестким выводом |
2 |
Таблеточный |
3 |
Под запрессовку |
4 |
Фланцевый |
5 |
П р и м е ч а н и я : 1. Для приборов, конструктивные признаки которых не отражены в табл. 1.2, первым знаком должна быть цифра 0. 2. При разработке приборов с конструктивным исполнением корпуса, отличным от указанных, второй знак должен указываться в стандартах или технических условиях на эти приборы.
максимально допустимую рассеиваемую энергию для ограничите лей напряжения.
В зависимости от конструктивного расположения анодного и ка тодного выводов приборы штыревого исполнения по новой системе обозначений подразделяются на приборы с прямой полярностью (на основании корпуса анод) и приборы с обратной полярностью (на осно вании корпуса катод). Для приборов с обратной полярностью после значения максимально допустимых нагрузочных параметров должна ставиться буква X.
Буквы и цифры, означающие вид, подвид конструкции, цифры, оз начающие максимально допустимый нагрузочный параметр (ток в ам перах, мощность в ваттах или энергию в джоулях), а также буква, оз начающая полярность прибора, составляют условное обозначение типа прибора.
Примеры условных обозначений типов приборов, выпускаемых по новому стандарту:
диода штыревого исполнения с гибким выводом, порядковым но мером модификации конструкции 1, размером шестигранника под ключ 32 мм, на максимально допустимый средний прямой ток 200 А, прямой полярности: Д 161-200;
тиристора таблеточного исполнения с порядковым номером моди фикации конструкции 1, диаметром корпуса 58 мм, на максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 500 А: Т143-500;
стабилитрона штыревого исполнения с гибким выводом, поряд ковым номером модификации конструкции 1, диаметром корпуса 40 мм, максимально допустимой рассеиваемой мощностью 15 Вт:
С121-15;
ограничителя напряжения таблеточного исполнения с порядковым номером модификации конструкции 1, максимально допустимой рас сеиваемой энергией 50 Дж:ОН123-50.
Классы приборов (кроме стабилитронов) обозначаются цифрами, соответствующими числу сотен вольт.
11
|
Классы диодов |
и тиристоров |
|
|
|
Класс |
Повторяющееся импульс |
Класс |
Повторяющееся импульс |
||
|
ное обратное напряжение, |
|
ное обратное напряжение, |
||
|
повторяющееся |
импульс |
|
повторяющееся |
импульс |
|
ное напряжение |
в закры |
|
ное напряжение в закры |
|
|
том состоянии, |
В, ие |
|
том состоянии. |
В, не |
|
менее |
|
|
менее |
|
1 |
100 |
|
22 |
2200 |
|
2 |
200 |
|
24 |
2400 |
|
3 |
300 |
|
28 |
2800 |
|
|
|
|
32 |
3200 |
|
15 |
1500 |
|
36 |
3600 |
|
16 |
1600 |
|
40 |
4000 |
|
18 |
1800 |
|
44 |
4400 |
|
20 |
2000 |
|
50 |
5000 |
|
П р и м е ч а н и е . Обозначение классов и соответствующие им значения напряжений полностью соответствуют прежней системе
Классы транзисторов обозначают в соответствии с табл. 18.1, а стабилитронов —цифрами, соответствующими напряжению стабили зации в вольтах, и устанавливаются в стандартах и технических усло виях на конкретные типы приборов.
Приборы одного типа и класса подразделяются на группы в зави симости от подвида.
Быстровосстанавливающиеся диоды делятся на группы по значе нию времени обратного восстановления (в прежней системе обозначе ний деление на группы по этому параметру не производилось):
Группа............................... |
О |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Время обратного |
вос |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
становления, мкс, |
не |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б о л е е .......................... Не |
норми- |
5,0 |
4,0 |
3,2 |
2,5 |
2,0 |
1,6 |
1,0 |
0,63 |
0,4 |
|
|
|
руется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тиристоры и тиристоры, проводящие в обратном направлении, подразделяются на группы по значению критической скорости нара стания напряжения в закрытом состоянии:
Группа ..................... |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||
Критическая |
ско- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рорть |
нарастания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжения |
в за |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
крытом состоянии, |
|
|
50 |
100 |
200 |
320 |
500 |
1000 |
1600 2500 |
|||
В/мкс, |
не |
менее |
Не |
20 |
||||||||
|
|
|
норми- |
(20) |
(50) |
(100) (200) (500) |
(1000) |
|
|
|
||
|
|
|
руется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В скобках показаны значения параметров, соответствующих ука занным группам в прежней системе обозначений.
Симметричные тиристоры и тиристоры, проводящие в обратном
12
направлении, подразделяются на группы по значению критической скорости нарастания коммутационного напряжения:
Группа.......................... |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Критическая |
ско- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рост ь нарастания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
коммутационного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжения, В/мкс, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
не менее . . |
. . Не нор- |
2,5 |
4,0 |
6,3 |
10 |
16 |
25 |
50 |
100 |
200 |
|
мируется |
(5) |
(10) |
(20) |
(30) |
(50) |
|
|
|
|
Т иристоры бы стровы клю чаю щ иеся подразделяю тся на группы по значению времени вы клю чения:
Группа ..................... |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Время выключения, |
|
|
50 |
40 |
|
25 |
20 |
16 |
|
|
мкс, не более . • |
. Не нор- |
63 |
32 |
12,5 |
8,0 |
|||||
|
мирует- (250) (150) (100) |
(70) |
(50) |
(30) |
(20) |
(15) |
(12) |
|||
|
ся |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По новой системе группы по времени выключения входят в услов ное обозначение только для быстровыключающихся тиристоров.
Тиристоры быстровключающиеся подразделяются на группы по значению времени включения'
Группа |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Время |
включения, |
|
|
|
|
|
|
|
|
М К С , |
не |
более Не иор- 4,0 3,2 |
2,5 |
2,0 |
1 , 6 |
1,2 |
1,0 |
0,63 |
0,4 |
|
|
мируется |
|
|
|
|
|
|
|
До введения стандарта [1] подразделения тиристоров на группы по времени включения не существовало, а в стандартах, технических условиях и справочных данных указывалось гарантированное значение этого параметра.
Тиристоры быстродействующие подразделяются на те же группы по значениям времени включения и времени выключения.
В условных обозначениях приборов группы по времени обратного восстановления, критической скорости нарастания напряжения в за крытом состоянии, критической скорости нарастания коммутационно го напряжения, времени включения, времени выключения обозначают цифрами. Кроме того, для приборов, предназначенных для параллель ной работы, в условном обозначении должны быть указаны пределы по импульсному прямому напряжению (для диодов) или импульсному напряжению в открытом состоянии (для тиристоров).
П р и м е ч а н и е . Перед обозначением класса, группы по времени обратно го восстановления и пределов импульсного прямого напряжения ставится тире.
Таким образом условное обозначение диода должно содержать: слово Диод; тип диода; класс диода;
13
группу по времени обратного восстановления для быстровосстанавливающихся диодов (кроме группы 0, которая в условное обозначе ние не входит);
пределы по импульсному прямому напряжению с разбросом до
± 5% для диодов, предназначенных для параллельной работы. Пример условного обозначения диода типа Д161-200 пятого клас
са с импульсным прямым напряжением от 1,25 до 1,35 В: Диод Д161-200-5-1,25-1,35.
Пример условного обозначания диода типа Д Ч 151-100 восьмого класса второй группы по времени обратного восстановления: Диод быстровосстанавливающийся Д 4151-100-8-2.
Условное обозначение тиристоров и тиристоров, проводящих в обратном направлении, симметричных тиристоров должно содер жать:
слово Тиристор, Тиристор, проводящий в обратном направления, Тиристор симметричный;
тип прибора; класс прибора;
группу по критической скорости нарастания напряжения в откры том состоянии;
группу по критической скорости нарастания коммутационного на
пряжения |
(для |
тиристоров, проводящих в |
обратном направлении, |
и симметричных тиристоров); |
быстровыключающихся |
||
группу |
по |
времеии выключения (для |
и быстродействующих приборов); группу по времени включения (для быстровключакмцихся и быс
тродействующих |
приборов); |
|
|
пределы |
по |
импульсному напряжению в открытом |
состоянии |
с разбросом |
+ 5 % для тиристоров, предназначенных для |
параллель |
ной работы.
При этом перед обозначанием класса, группы по критической ско рости нарастания напряжения в закрытом состоянии, группы по ско рости нарастания коммутационногр напряжения и пределов импульс ного напряжения в открытом состоянии ставится тире. Если для прибора все группы его коммутационных параметров соответствуют цифре 0 одновременно (параметры не нормируются), то в условном обозначении прибора нули не указываются.
Примеры условных обозначений:
тиристора быстродействующего типа ТБ 133-250, восьмого класса, с критической скоростью нарастания напряжения в закрытом состоя нии по группе 5, временем выключения по группе 2: Тиристор быстро действующий ТБ133-250-8-52;
тиристора типа Т143-500, двенадцатого класса, с критической ско ростью нарастания напряжения в закрытом состоянии по группе 4, с импульсным напряжением в открытом состоянии от 1,70 до 1,80 В:
TUpucmop 7143-500-12-4-1,70-1ДО;
тиристора симметричного типа ТС161-160, пятого класса, с крити ческой скоростью нарастания коммутационного напряжения по группе 3: TUpucmop симметричный ТС161-160-5-3.
Условное обозначение стабилитронов, симметричных стабилитро
14
нов, ограничителей напряжения, симметричных ограничителей напря жения должно содержать:
слово Стабилитрон, Ограничитель напряжения; тип прибора; класс прибора.
При этом перед обозначением класса ставится тире.
Пример условного обозначения стабилитрона типа С121-15, пято го класса: Стабилитрон С121-15-5.
Пример условного обозначения ограничителя напряжения типа ОН123-50, пятого класса: Ограничитель напряжения OH123-50-S.
При заказе и в нормативно-технической и конструкторской доку ментации на другие изделия условное обозначение прибора должно быть дополнено обозначением климатического исполнения, кате гории размещения и стандарта или технических условий иа прибор.
Например, при заказе ограничителя напряжения (см. предыдущий пример) климатического исполнения У, категории размещения 2 долж но быть указано:
Ограничитель напряжения ОН123-50-5У2 ТУ16... (или ГОСТ). В маркировке прибора кроме условного обозначения наносятся: товарный знак завода-изготовителя; климатическое исполнение и категория размещения (исполнение У,
категория 2 не наносится); символ полярности (кроме симметрических тиристоров);
цветовое обозначение выводов (если это предусматривается в стандартах или технических условиях иа конкретные типы прибо ров);
дата изготовления (месяц, год).
При цветовом обозначении выводов вывод катода обозначается красным цветом, вывод анода —синим или черным, вывод управля ющего электрода —желтым или белым цветом.
Р А З Д Е Л 2
ВИДЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.
КОНСТРУКЦИЯ И СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
2.1. ВИДЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Основным элементом большинства силовых полупроводниковых приборов является р-п переход, теория которого широко проанализи рована в специальной технической литературе [2 —4, 7, 8] и поэтому в настоящем справочнике не рассматривается.
Полупроводник с одним р-п переходом является основой простей шего полупроводникового прибора —выпрямительного диода, вольтамперная характеристика которого приведена на рис. 2.1. При прило жении к диоду прямого напряжения через р-п переход протекает ток, значение которого для силовых полупроводниковых диодов состав ляет десятки, сотни и тысячи ампер (в зависимости от типа диода),
15
в то время как напряжение на нем остается незначительным — единицы вольт. Если к диоду приложено обратное напряже ние, то через р-п переход про текает незначительный обрат ный ток порядка нескольких миллиампер, так что практиче ски все напряжение источника падает на диоде. Таким образом, если к источнику переменного напряжения через диод подклю чить нагрузку, то через нее будет
проходить ток только одного направления.
Если к диоду приложить обратное напряжение, превышающее определенное значение, начнется резкое возрастание обратного тока, способное вызвать разрушение р-п перехода. С помощью специальных технологических мероприятий можно добиться того, что диод может работать в условиях, когда кратковременно через него проходит обратный ток в несколько десятков ампер. Такие диоды называются лавинными. В отличие от обычного выпрямительного диода его обратная вольт-амперная характеристика в области пробоя имеет очень малое дифференциальное сопротивление (на рис. 2.1 это показа но штриховой линией), так что при кратковременных перенапряжениях в диоде рассеивается значительная энергия, а напряжение на нем ос тается практически неизменным. Разновидностью лавинного диода яв ляется стабилитрон, работающий в режиме электрического пробоя р-п перехода. При напряжении пробоя ток через стабилитрон резко во зрастает, а напряжение на нем остается равным напряжению стабили зации.
Технологически в одном полупроводнике можно создать несколь ко чередующихся л- и p-слоев. В зависимости от их числа, порядка че редования, а также с помощью определенных технологических опера ций могут быть созданы полупроводниковые структуры с различными электрическими свойствами [2 —4, 6, 7].
На основе структуры типа р-п-р с удаленными друг от друга р-п переходами разработаны ограничители напряжения. При приложении напряжения в одном из направлений один из р-п переходов смещается в обратном направлении и ограничитель работает как один стабили трон. При перемене полярности напряжения в работу вступает другой р-п переход и напряжение ограничивается в другом направлении.
На основе четырехслойной структуры типа р-п-р-п создан управ ляемый полупроводниковый прибор —тиристор, физика работы кото рого подробно описана в [2 —8]. Вольт-амперные характеристики ти ристора при разных значениях тока управления приведены на рис. 2.2. Если к тиристору приложено обратное напряжение, то он работает как диод при обратном смещении. При воздействии прямого напряжения и отсутствии тока через управляющий электрод тиристор пропускает незначительный анодный ток до определенного значения напряжения (равного напряжению переключениях при превышении которого тирис-
16
Рис. 2.2. Вольт-ампериые характеристики тиристора при различных токах управлении lGl < 1С2 < 1С}
Рис. 2.3. Вольт-ампериые характеристики симметричного тиристора при различных токах управлении IGI > lG2 > 1G2
тор переходит в проводящее состояние и работает как диод при пря мом смещении. Если на управляющий электрод тиристора подавать нарастающее напряжение, то переход в проводящее состояние будет осуществляться все при меньших и меньших значениях прямого напря жения до полного спрямления прямой ветви вольт-амперной характе ристики. Свойство тиристора отпираться только при наличии тока в цепи управления используется для регулирования мощности потре бителей электрической энергии (регулирование частоты вращения в электропроводах постоянного тока, стабилизация тока, преобразова ние частоты и др.).
На основе пятислойных структур разработаны симметричные ти ристоры [2, 3]. Вольт-амперные характеристики симметричного тирис тора при различных значениях тока управления показаны на рис. 2.3. Способность проводить ток в обоих направлениях позволяет исполь зовать симметричные тиристоры в качестве ключей и в схемах регуля торов переменного тока, а также применять их как реверсивные кон такторы, например для изменения направления вращения двигателей постоянного тока и регулирования частоты вращения.
Еще одна разновидность приборов на основе многослойных структур —тиристор-диод, вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 2.4. Эта структура позволяет совместить функции тиристора и встречно-параллельно включенного диода, что исполь зуется в некоторых схемах преобразователей для исключения нежела тельных воздействий, возникающих при переходных коммутационных процессах.
В настоящее время ведется работа по созданию мощных пол ностью управляемых тиристоров *, которые могут быть переведены в закрытое состояние при подаче управляющего импульса в цепь управления. Успешная разработка и серийное освоение этого вида ти ристоров позволили бы значительно упростить схемные решения мно гих разновидностей тиристорных преобразователей.
1 В некоторых источниках —тиристоры, выключаемые по цепи управ ления [2].
17
Фототиристор — однонаправ ленный переключатель тока, пере водимый в проводящее состояние в результате воздействия света. Конструктивно фототиристор вы полняется таким образом, что роль управляющего электрода выполня ет определенный участок поверх ности структуры, в котором при освещении через окно в корпусе тиристора возникает фототок, ана логичный току через управляющий электрод обычного тиристора, воз никающему под воздействием на пряжения источника управления
Свойство р-п перехода излучать свет при рекомбинации носителей заряда в полупроводнике ис пользуется в оптотиристорах [2] Отличие от фототирисгора за ключается в том, что источником освещенности является свето излучающий диод, излучающий необходимую световую энергию под действием приложенного к нему напряжения.
Подробное описание конструкции и механизма работы фото- и оптотиристоров приведено в [2, 9].
Транзистором называется усилительный прибор, действие которо го основано на управлении движением носителей электрических заря дов в полупроводниковом кристалле.
Всамом общем виде транзистор представляет собой монокрис талл полупроводника, разделенный двумя близкорасположенными р-п переходами иа три области: эмиттер, базу и коллектор. В зависимости от порядка чередования типов проводимости областей различают транзисторы р-п-р и и-р-и-типов [10].
Вотличие от тиристора транзистор может работать в режиме не прерывного усиления, когда значение коллекторного тока в определен ном диапазоне изменения тока базы зависит от значения последнего.
Мощные транзисторы работают преимущественно в ключевом ре
жиме. |
При этом, |
как правило-, транзистор включается по схеме |
|
с общим эмиттером |
(рис. 2.5). Рабочая точка транзисторного ключа |
||
может |
находиться |
в |
четырех областях (рис. 2.6): |
1)в области отсечки. При этом эмиттерный и коллекторный пере ходы транзистора смещены в обратном направлении. Токи, протека ющие через транзистор, малы. Этот режим соответствует разомкну тому состоянию транзисторного ключа;
2)в области насыщения. При этом оба р-п перехода имеют пря мое смещение. Через транзистор протекает максимально возможный
вданной схеме ток (ток насыщения). Этот режим соответствует замк нутому состоянию транзисторного ключа;
3) в активной области. |
При этом эмиттерный переход смещен |
в прямом направлении, а |
коллекторный —в обратном, транзистор |
работает как усилительный элемент. Эта область является переходной при работе транзистора в ключевом режиме;
18
«с Л-
|
Рис. 2.6. Области статических характеристик транзистора: |
||
/ —область насыщения; 2 — область отсечки, |
3 —активная |
область |
|
4) |
в инверсной области. При этом |
эмиттерный |
период смещен |
в обратном направлении, а коллекторный в прямом, через транзистор протекает обратный ток.
Более подробно физика работы и описание электрических свойств мощных транзисторов приведены в [11].
2.2. КОНСТРУКЦИЯ И СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Конструкция силовых полупроводниковых приборов должна обес печить их высокую эксплуатационную надежность, необходимый срок службы, минимальную массу и габаритные размеры, простое и надеж ное соединение с охладителем, удобство группового соединения и др.
Основой конструкции полупроводникового прибора является вы прямительный элемент, качество которого определяет электрические параметры прибора. Выпрямительный элемент представляет собой конструкцию, в которой кремниевая пластина с образованным в ней сочетанием р-п переходов (структура) напаяна на термокомпенсатор (вольфрам, молибден) или сплавлена с иим. В таком виде выпрями тельный элемент монтируется в корпус прибора с помощью пайки или прижима, а затем корпус прибора герметизируется с помощью сварки или завальцовки. Это обеспечивает механическую прочность структу ры и защищает ее от влияния окружающей среды.
В последнее время наибольшее распространение получают прибо ры прижимной конструкции, значительно облегчающей работу прибо ра в условиях циклической токовой нагрузки и предотвращающей быстрое разрушение контактных соединений В качестве примера на рис. 2.7 изображен разрез арматуры штыревого тиристора Т171-320.
На медном основании 1 располагается выпрямительный элемент 2 с центральным управляющим электродом. Для улучшения электри ческого контакта со стороны основания выпрямительного элемента помещаются серебряные прокладки 3. По оси катодного вывода 4 выс верлено отверстие для вывода управляющего электрода 5, который прижимается к центральному управляющему электроду выпрямитель ного элемента с помощью пружины 6. Управляющий вывод через ра диальное отверстие выводится во внешнюю среду с помощью изоли
19
рованного проводника 7. Управляю щий электрод изолирован от катодного вывода с помощью изолятора 8. Ка тодный вывод по высоте прибора изо лирован от других элементов с по мощью изолирующей трубки 9. Для создания необходимого усилия при жима служат тарельчатые пружины 10 При сборке прибора давление от пресса с помощью держателя 11 передается на конструкцию через опорную шайбу 12 и опорный изолятор 13. Держатель под действием давления входит во фла нец 14, после чего производится за вальцовка по фланцу.
Конструкция прибора в собранном виде показана на рис. 2.8. На арма туру надевается металлокерамический корпус, нижнее основание которого приваривается к буртику фланца. Во
|
втулку корпуса вставляется гибкий си |
|||
|
ловой вывод, и производится обжим. |
|||
ция тиристора |
На |
рнс 2 9 показана конструк |
||
таблеточного исполнения |
типа Т153-630. В отли |
|||
чие от штыревого прибора в этой |
конструкции |
необходимое |
||
усилие сжатия |
создается извне либо |
с |
помощью |
соответствую |
щей конструкции охлаждающего устройства, либо путем приме нения других специальных зажимных устройств, обеспечивающих
регламентируемое усилие сжатия при электрических нагрузках. Выпрямительный элемент 1 с центральным управляющим элек
тродом помещен между основаниями металлокерамического корпуса, состоящего из собственно корпуса 2 и крышки 3. Между основаниями корпуса и выпрямительного элемента расположены серебряные про кладки 4, причем в центре верхней прокладки имеется отверстие для вывода управляющего электрода. В крышке корпуса 3 имеется осевое углубление для управляющего электрода 5 и радиальное отверстие для управляющего вывода. Управляющий электрод центрируется с по мощью керамической втулки 6 и поджимается пружиной 7. Фторо пластовое кольцо 8 служит для исключения смещения выпрямительно-
Рнс. 2.8. Конструкция тиристора Т171-320 иосле окончательной сборки
20