Полупроводниковый вентиль ВЛ-200

На (рис. 4.39) показан схематический разрез кремниевого диода. Пластинка ср-п переходом, состоящая из слоев алюминиевого спла­ва 8, высоколегированного кремния 9, кремниевого диска 10, припа­яна сплавом серебра с сурьмой 11 к нижнему вольфрамовому дис­ку 12. Последний при помощи припоя связан с массивным медным основанием. Верхняя часть кремниевой пластины спаяна с верхним вольфрамовым диском 7, к которому припаяна медная чашечка 6, а к ней — наконечник 4 внутреннего гибкого медного вывода. Вольфра­мовые диски, обладающие близким к кремнию температурным коэф­фициентом линейного расширения, уменьшают механические напря­жения, возникающие между кристаллом кремния и медным основа­нием при нагреве током области р-п перехода. Кремниевый и вольф­рамовые диски заключены в стальной эмалированный корпус 5, свя­занный с выводной втулкой 1 при помощи слоя напряженного свин­цового стекла 2. Спай стального корпуса со свинцовым стеклом вы­полнен через слой эмали 3 и является изолятором. Внутренний гиб­кий вывод компенсирует тепловые деформации, а наружный вывод обеспечивает гибкую связь с токоведущими частями других аппара­тов. Медное основание вентиля имеет шпильку с резьбой М14 для

 

Рис. 4.39. Кремниевый диод:

1 — выводная втулка; 2 — свинцовое кольцо; 3 — слой эмали; 4 — наконеч­ник; 5 — корпус; б — медная чашечка; 7— верхний вольфрамовый диск; 8 — слой алюминиевого сплава; 9 — слой высоколегированного кремния; 10 — кремниевый диск; 11 — сплав серебра; 12 — нижний вольфрамовый диск; 13 — медное основание; 14 — шпилька

крепления охладителя. Мощные кремниевые вентили на подвижном составе имеют воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении массивный медный вывод (основание) вентиля ввинчивают в метал­лический охладитель, имеющий развитую ребристую поверхность. При принудительном воздушном охлаждении охладители заключа­ют в кожух, через который пропускают воздух, нагнетаемый венти-

лятором. В основании корпуса охладителя имеются отверстия для изолированных стержней, на которых в зависимости от схемы преоб­разователя может быть укреплено несколько вентилей.

Лавинные диоды. Несмотря на высокую степень чистоты исход­ного материала, структура электронно-дырочного перехода неравно­мерна. При этом возникают местные сужения перехода и появляются локальные участки, напряженность электрического поля в которых при приложении обратного напряжения может повышать среднее зна­чение, характерное для данного перехода. Неравномерность струк­туры р-п перехода возрастает по мере приближения его к выводу на поверхность. Это объясняется большой концентрацией посторонних частиц, попадающих в переход в процессе его изготовления. Повы­шенная неравномерность обусловливает появление больших локаль­ных сужений в структуре перехода и, следовательно, соответственно больших значений напряженности поля при приложении обратного напряжения. Поэтому вероятность пробоя электронно-дырочного перехода вблизи вывода его на поверхность выше, чем в средней ча­сти. В настоящее время в ВУ подвижного состава применяют лавин­ные вентили. У этих вентилей путем специальных мероприятий сни­жают напряженность поля в области вывода/>-я перехода на поверх­ность. В таких диодах в месте вывода р-п перехода на поверхность с пластины кремния снимают по окружности фаску под определенным углом. Кроме того, в области выводами перехода на поверхность по окружности кремниевой пластины концентрацию основных носите­лей зарядов выполняют меньшей, чем в средней части пластины. Ширина/>-я перехода в этой зоне увеличивается, и напряжение про­боя в средней части пластин оказывается меньшим, чем у торца пла­стины. В обычных диодах мощность потерь, выделяемых при про­хождении обратного тока, должна быть значительно меньше мощно­сти потерь, получаемых при прямом токе. Это объясняется тем, что прямой ток диода распределяется по всей площади электронно-ды­рочного перехода равномерно и рассеивание выделяемого тепла про­исходит по всей площади, не вызывая недопустимых местных пре­вышений температуры.

В непроводящую же часть периода вследствие неоднородности сопротивления запорного слоя обратный ток проходит лишь через отдельные микроплощадки в местах с повышенной плотностью, об-

ладающих меньшим удельным сопротивлением. При этом плотность тока оказывается весьма значительной, и в малых участках объема полупроводника выделяется значительная энергия. Это может при­вести к местным повышениям температуры запорного слоя и создать условия для пробоя р-п перехода.

В лавинных диодах благодаря применению монокристаллов крем­ния с высокой однородностью структуры и специальной технологии обработки полупроводника обратный ток распределяется равномер­нее по площади/>-я перехода. Поэтому нагрев объема кристалла об­ратным током происходит по всему сечению перехода, и местное пре­вышение температуры отдельных участков его практически исклю­чается, а это исключает условия пробоя перехода.

Обозначение вентилей. В соответствии со стандартом вентили имеют специальное обозначение, которое указывает предельный ток в амперах, класс вентиля, прямое падение напряжения, модифика­цию вентиля. Так, ВЛ200-8-1,6 обозначает: В — неуправляемый вен­тиль диод, Л -лавинный, воздушного охлаждения, 200 — предель­ный ток 200 А, 8 — класс, характеризующийся повторяющимся на­пряжением 800 В и прямым падением напряжения 1,6 В.

Характеристики вентилей. Характеристики являются измеря­емыми величинами, описывающими электрические, механические, тепловые и другие свойства диодов при определенных условиях. Характеристики делятся на паспортные (основные) и проектные (дополнительные). Паспортные характеристики вентилей позволя­ют по ограниченному количеству фиксированных значений пара­метров определить соответствие данного вентиля стандарту или ТУ, сравнить его с аналогичными изделиями. Эти параметры оп­ределяют в конкретных условно заданных режимах. Обычно пас­портные характеристики дают в виде таблиц или перечня номи­нальных данных.

Проектные характеристики позволяют определить зависимость различных параметров вентилей во всем диапазоне их изменения от величины, длительности и характера нагрузки с учетом схем преоб­разования, условий окружающей среды, интенсивности охлаждения и т.д. Эти характеристики дают возможность выбрать наиболее целе­сообразную нагрузку вентилей в различных режимах работы и усло­виях эксплуатации.

Базовой (вольт-амперной) электрической характеристикой венти­ля является зависимость падения напряжения на вентиле от тока при определенной температуре структуры. Различают три типа вольт-ам­перной характеристики: статическую, динамическую и классифика­ционную. Статическая характеристика снимается на постоянном токе, динамическая на переменном в мгновенных значениях напряжения и тока. Классификационная характеристика снимается на однополупе-риодном переменном токе частотой 50 Гц: прямая ветвь ее соответ­ствует пропусканию через вентиль синусоидального тока, при этом фиксируются приборами магнитоэлектрической системы средние за период значения тока и напряжения; обратная ветвь — приложению к вентилю синусоидального напряжения, при этом фиксируются сред­нее за период значение тока и амплитудное значение напряжения.

Из классификационной вольт-амперной характеристики опреде­ляют номинальные (паспортные) параметры вентиля: номинальный ток, номинальное напряжение, прямое падение напряжения вентиля.

Номинальный ток вентиля — среднее за период значение вы­прямленного тока частотой 50 Гц, синусоидальной формы, протека­ющего через вентиль при его работе в однофазной однополупериод-ной схеме выпрямления на активную нагрузку и угле проводимости 180 при номинальных для данного вентиля условиях охлаждения.

Номинальное (классификационное) напряжение вентиля — мак­симально допустимое мгновенное значение напряжения, длительно прикладываемого к вентилю в обратном направлении в номиналь­ном режиме работы, при котором обеспечивается его заданная на­дежность, исключающая повторяющиеся и неповторяющиеся напря­жения.

Максимальное обратное напряжение соответствует точке или об­ласти загиба обратной ветви вольт-амперной характеристики вен­тиля, когда при небольшом приращении напряжения резко увеличи­вается обратный ток.

Прямое падение напряжения — среднее за период значение на­пряжения на вентиле при прохождении через него номинального тока и температуре окружающей среды +25 °С.

Обратный ток — среднее за период значение тока, протекающе­го через вентиль при прохождении к нему номинального обратного напряжения.

Ток аварийной нагрузки —ток, протекание которого вызывает пре­вышение допустимой температуры электронно-дырочного перехода, но воздействие которого предполагается лишь ограниченное число раз за срок службы вентиля как результат необычных условий рабо­ты схемы. Ударный ток — максимально допустимое значение тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданной началь­ной температуре полупроводниковой структуры без последующего приложения напряжения.

Повторяющееся напряжение — максимально допустимое мгно­венное значение напряжения, которое может многократно периоди­чески прикладываться к полупроводниковому прибору в обратном или прямом направлении.

Неповторяющееся напряжение — максимально фиксируемое мгновенное значение напряжения, прикладываемого к прибору в об­ратном или прямом направлении при процессах, имеющих неперио­дический характер.

Групповое соединение диодов применяют для повышения надеж­ности выпрямительной установки, чтобы выход из строя одного дио­да не нарушал работы всей установки. В мощных выпрямительных установках выпрямленный ток оказывается больше номинальных токов, допустимых для отдельных полупроводниковых диодов. Для пропуска таких токов несколько диодов включают параллельно.

При полной идентичности прямых ветвей вольт-амперных харак­теристик параллельно включенных диодов в рабочем диапазоне тем­ператур суммарный ток в цепи распределялся бы между ними равно­мерно. Однако вольт-амперные характеристики диодов, даже изго­товленных из одного монокристалла, неидентичные. Как прямые, так и обратные ветви вольт-амперных характеристик диодов одной груп­пы могут иметь различие в пределах допустимого стандартом раз­броса прямого падения напряжения и обратного тока. Различие в пря­мых ветвях вольт-амперных характеристик, вызываемое различием внутреннего сопротивления полупроводниковых диодов, при парал­лельном включении обусловливает их неравномерную нагрузку. Спе­циальный подбор диодов по характеристикам, возможный на заводе-изготовителе, чрезвычайно затруднен, а в условиях эксплуатации при ограниченном числе диодов практически невозможен. Поэтому при параллельном включении диодов их берут с запасом, учитывающим

неравномерное распределение тока по диодам. Коэффициент запаса, учитывающий неравномерность распределения тока между парал­лельно включенными диодами, принимается равным 1,15—1,25. Чис­ло параллельно включенных диодов выбирают для номинальных ус­ловий охлаждения по заданному наибольшему продолжительному току нагрузки с проверкой температуры электронно-дырочного пе­рехода при пропуске диодами тока короткого замыкания расчетной длительности.

В выпрямительных установках подвижного состава напряжения, прикладываемые к диодам в непроводящую часть периода, превы­шают допустимые напряжения одного диода, а поэтому в них несколь­ко диодов соединяют последовательно. Число последовательно вклю­ченных в плече диодов выбирают из условия обеспечения их элект­рической прочности при приложении периодически повторяющихся обратных напряжений и коммутационных перенапряжений. Макси­мальное значение обратного напряжения, воспринимаемого диода­ми, определяется схемой включения и параметрами преобразовате­ля. При последовательном соединении диодов обратное напряжение между ними распределяется неравномерно вследствие разброса зна­чений их внутреннего сопротивления. Для выравнивания обратного напряжения на последовательно соединенных диодах они шунтиру­ются резисторами одинакового сопротивления. Эти резисторы обра­зуют делитель напряжения. Для того чтобы деление обратного на­пряжения между диодами определялось сопротивлениями этих рези­сторов, сопротивление их берется в 3—5 раз меньше минимального сопротивления вентиля.

Вследствие больших допустимых обратных токов лавинные дио­ды не нуждаются в принудительном равномерном распределении напряжения при последовательном их включении. Обратный ток при последовательном соединении ограничивается теми вентилями, на которых напряжение не достигло значения, соответствующего лавин­ному заряду.