книги / Силовые полупроводниковые приборы

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

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):

Тиристоры и тиристоры, проводящие в обратном направлении, подразделяются на группы по значению критической скорости нара­ стания напряжения в закрытом состоянии:

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:

Т иристоры бы стровы клю чаю щ иеся подразделяю тся на группы по значению времени вы клю чения:

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'

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

и быстродействующих приборов); группу по времени включения (для быстровключакмцихся и быс­

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

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;

работает как усилительный элемент. Эта область является переходной при работе транзистора в ключевом режиме;

18

«с Л-

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

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