Для определения надежности приборов используют такие показатели, как гамма-процентный ресурс, гамма-процентная сохраняемость, минимальная наработка {гарантийная наработка), интенсивность отказов, определяемые при специальных испытаниях. Нормы на эти показатели устанавливаются в I У на приборы.

Для расчета надежности радиоэлектронной аппаратуры следует использовать количественные показатели надежности, получаемые при обработке статистических данных различных заводских испытаний, а также при эксплуатации приборов в аппаратуре.

Экспериментально установлено, что интенсивность (вероятность) отказов приборов уменьшается при снижении рабочей температуры, напряжений на электродах и токов.

Снижение рабочей температуры уменьшает отказы практически всех видов: короткие замыкания, обрывы и значительные изменения параметров.

Снижение напряжения значительно уменьшает отказы приборов с высоковольтными переходами.

Снижение рабочего тока приводит, главным образом, к замедлению деградации контактных соединений и токоведущих дорожек металлизации на кристаллах.

Приближенная зависимость интенсивности отказов от нагрузок имеет вид:

и

< ехр

млкс J

где /\.(Гр, jj., Uf..r., /мдко 1 - интенсивность отказов при максимальных нагрузках (может быть получена из результатов кратковременных испытаний в форсированных режимах); В- 6000 к, г, и 7 мдкс - в градусах Кельвина.

Для повышения надежности работы приборов в аппаратуре рекомендуется устанавливать напряжения и тока (мощность) на уровне 0,5...0,8 предельных (максимальных) значений. Не допускается даже кратковременное (импульсное) превышение предельно допустимых электрических режимов при эксплуатации. Поэтому необходимо принимать меры по защите приборов от электрических перегрузок, возникающих при переходных процессах (при включении и вьтлючении аппаратуры, при изменении режима ее работы, подключении нагрузок, случайных изменениях напряжения источников питания).

Режимы рабогы приборов должны контролироваться с учетом возможных неблагоприятных сочетаний условий эксплуата-ц;;т зппэрзтупы (повышенная окружающая температура, пониженное атмосферное давление и др.).

Если требуемое значение тока или напряжения превышает предельно допустимое для данного прибора, то рекомендуется применение более мощного или высоковольтного прибора, а для диодов - их параллельное или последовательное соединение.

При парачлельном соединении необходимо выравнивать токи через диоды с помощью резисторов, включ&емых последовательно с каждым диодом.

При последовательном включении диодов обратные напряжения на них выравниваются с помощью шунтирующих резисторов или конденсаторов. Рекомендуемые значения резисторов и емкостей шунтов обычно указываются в ТУ на диоды.

Между последовательно или параллельно включенными приборами должна бь;ть обеспечена хорошая тепловая связь (например, все приборы устанавливаются на одном радиаторе). В противном случае распределение нагрузки между приборами может быть неустойчивым.

Для защиты структур полупроводниковых приборов от внешних воздействий (температуры, влаги, агрессивных химических сред и др.) служат корпуса приборов.

Корпуса мощных приборов одновременно обеспечивают необходимые условия отвода теплоты. Необходимо иметь в виду, что корпуса приборов имеют ограничения по герметичности и коррозионной устойчивости, поэтому при эксплуатации приборов в условиях повышенной влажности рекомендуется покрывать их специальными лаками (например, типа УР-231, ЭП-730).

Обеспечение отвода теплоты от мощных полупроводниковых приборов является одной из главных задач при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо придерживаться принципа максимально возможного снижения температуры переходов и корпусов приборов.

Для охлаждения мощных диодов или тиристоров используются теплоотводящие радиаторы, работающие в условиях естественной конвекции или принудительного обдува, а также конструктивные элементы узлов и блоков аппаратуры, имеющие достаточную поверхность или хороший теплоотвод. Крепление приборов к радиатору должно обеспечивать надежный тепловой контакт.

Если корпус прибора необходимо изолировать, то для уменьшения общего теплового сопротивления лучше изолировать радиатор ог корпуса аппаратуры, чем диод или тиристор от

Отвод теплоты улучшается при вертикальном расположении активных поверхностей радиатора, так как при этом улучшаются условия конвекции.

Ориентировочные размеры теплоотводящих радиаторов в форме вертикально ориентированных пластин из алюминия (квадратных или прямоугольных) в зависимости от рассеиваемой мощности приборов можно определить по формуле. 5= 40Р, где 5 - площадь одной стороны пластины, см; Р - рассеиваемая в приборе мощность, Вт.

Пластины площадью до 25 см могут иметь толщину 1...2 мм, площадью до 100 см и свыше 100 см - 3...4 мм.

При сборке приборов с радиатором необходимо использовать специальные ключи с нормированным усилием крутящего момента, а для приборов таблеточной конструкции - устройства с нормированным сжимающим усилием. При этом следует учитывать, что превышение допустимых усилий создает дополнительные механические напряжения в кристалле и корпусе, что может привести к их разрушению. При недостаточном усилии увеличивается тепловое сопротивление корпус-охладитель, в результате возможен выход прибора из строя вследствие его перегрева

Для улучшения теплового контакта прибор - радиатор следует применять специальные теплоотводящие пасты, например КПТ-8.

В случае заливки плат с полупроводниковыми приборами компаундами, пенопластами, пенорезиной следует учитывать изменение теплового сопротивления между корпусом прибора и окружающей средой, а также возможность увеличения дополнительного нагрева приборов от расположенных вблизи элементов, обладающих большим тепловыделением.

Температура при заливке не должна превышать максимальной температуры корпуса прибора, указанной в ТУ. При заливке также не должны возникать механические нагрузки на выводы, нарушающие целостность стеклянных изоляторов или корпусов приборов,

в процессе подготовки и проведения монтажа полупроводниковых приборов в аппаратуру механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ.

Рихтовка, формовка и обрезка участков выводов приборов должна производиться так, чтобы в выводах не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Оснастка и приспособления для формовки выьидОБ должны быть заземлены. Расстояние от корпуса прибора до начала изгиба вывода, как правило, должно быть не менее 2 мм. Радиус изгиба при диаметре вывода до 0,5 мм должен быть не менее 0,5 мм, при диаметре 0,6...! мм - не менее 1 мм, при диаметре свыше 1 мм - не менее 1,5 мм.

Паяльники, применяемые для пайки выводов приборов, должны быть низковольтными. Расстояние qt корпуса или изолятора до места лужения или пайки вывода должно быть не менее 3 мм.

Для отвода теплоты участок вывода между корпусом и местом пайки зажимается пинцетом с губками из красной меди. Жало паяпьн,ка должно быть надежно заземлено. Если температура припоя не превышает 260 С, а время пайки не более 3 с, то можно производить пайку без теплоотвода или групповым методом (волной, погружением в припой и др-).

Очистка печатных плат от флюса производится жидкостями, которые не влияют на покрытие, маркировку или материал корпуса (например, спиртобензиновой смесью).

В настоящем разделе приведены наиболее общие особенности использования полупроводниковых приборов в радиоэлектронной аппаратуре. Комплекс более конкретных указаний по применению тиристоров приведен в стандартах-руководствах по применению.

2.2. Основные особенности тиристоров

Основой тиристора, определяющей его параметры и характеристики, является многослойная полупроводниковая структура, состоящая из четырех чередующихся слоев р- и л-типа проводимости ру-п^-р2-П2, образующих три электронно-дырочных перехода У; и У, (рис. 2.1).

Внешние слои р, и и переходы у, и h принято называть эмиттерными, внутренние слои n\ р^-- базовыми, а нейтральный переход j\ - коллекторным.

Структура тиристора рассчитана так, что взаимодействие между слоями при приложении напряжения различного направления дает вольт-амперную характеристику (ВАХ) с отрицательным участком (рис. 2.2).

Рис. 2 1. Модель полупроводниковой структуры гирисгора

Тиристор - полупроводниковый ключевой элемент, характеризующийся тремя основными рабочими состояниями: закрытым, когда он блокирует приложенное прямое напряжение; непроводящим, когда он блокирует приложенное обратное напряжение; открытым, когда он проводит основной ток.

При переходе тиристора из закрытого состояния в открытое или наоборот имеют место переходные процессы включения и выключения соответственно.

Трехэлектродный тиристор включается с помощью импульсов управления, двухэлектродный (динистор) - подачей прямого напряжения включения. Основные рабочие состояния тиристора и переходные процессы между ними показаны на рис, 2.3 и рис. 2.4.

Рис. 2.2, Типичная вольт-амперная характеристика тиристора

о

и* и

о и* и

сем

Рис 2 Вольт-ампермая характеристика тиристора в Открытом состоянии

Рис 2 4 Переходные Процессы включения и выключения

Закрытое и непроводящее состояние. Эти состояния хорошо описываются ВАХ при разомкнутой цепи управления (рис. 2.5). В закрытом состоянии работает обратно-смещенный центральный коллекторный переход в непроводящем - об-ратно-смещенные крайние эмиттерные переходы / и у,. Значения параметров в этих состояниях определяются геометрией

многослойной полупроводниковой структуры, используемой защитой выходов р-п переходов на поверхность структуры, а также поверхостными свойствами выпрямительного элемента.

Открытое (проводящее) состояние. Когда тиристор находится в открытом состоянии, все его р-п переходы смещены в прямом направлении и сопротивление прямому току минимально.

Рис 2 5 Вольт амперные характеристики тиристора в закрытом и непроводящем состояниях при разомкнутой цепи управления

Тиристор работает при высоких плотностях тока (порядка сотен ампер на квадратный сантиметр), т. е. при высоком уровне инжекция неосновных носителей заряда.

ш HJf UL I--- ji--- Г- Г 1

переходов (крайние) имеют обычно близкие, но противоположные по знаку, значения падения напряжения. В полное напряжение в открытом состоянии t/fit вносит вклад только один коллекторный переход.

Переходной процесс включения. Этот процесс характернзу-.р^д тремя параметрами временем задержки f ,д, временем нарастания /нар временем включения fHn. которые связаны отношением ?ВКЛ ~ ifl нАР-

Эти параметрь! зависят в основном от режима работы тиристора: от тока в открытом состоянии; от тока управления, от скорости нарастания импульса тока управления, от температуры

перехода.

Переходный процесс включения зависит от характера нагрузки, на которую работает прибор, и стойкости его к эффекту df/dr.

При индуктивной нагрузке определяется индуктивностью. В этом случае ток через тиристор нарастает медленно, а напряжение спадает быстро. Этот режим характеризуется малыми потерями при включении. При этом тиристор включается на большой площади.

При активной нагрузке стойкость тиристора к эффекту определяется самим прибором, т. е. конструкцией его электрода управления и способностью включаться как можно на большей площади В таком режиме ток нарастает быстро и при включении может быть выделена большая мощность

Переходный процесс выключения. Этот процесс характеризуется комплексным воздействием на тиристор практически всех параметров режима. Здесь имеют место прохождение импульса тока в открытом состоянии, воздействие обратного напряжения, импульсного напряжения в закрытом состоянии г определенной скоростью его нарастания.

Наиболее сильно выкл зависит от импульсного напряжения в закрытом состоянии и скорости его нарастания, обратного напряжения и температуры перехода.

Бремя выключения еыкл характеризует инерционность вы--ключения тиристора как ключевого элемента. Эта инерционность тиристора является причиной полных отказов приборов при эксплуатации.

Быстродействующие тиристоры

В настоящее время отечественной промышленностью освоены и серийно ЕЬ у|~1яются тиристоры двух классов:

мощные и сверхмощные высоковольтные тиристоры l низкими динамическими характеристиками (низкочастотные тиристоры), они имеют блокирующее напряжение до 6 кВ и более;

тиристоры с высокими динамическими характеристиками (быстродействующие), которые являются низковольтными. Блокирующее напряжение у них не более 2 кВ.

Это деление обусловлено тем, что существует ряд ограничений, которые делают невозможным сочетание в одном классе приборов максимальных значений его основных характеристик - повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии {U с ), импульсного напряжения в открытом состоянии {Uc г ц)> времени выключения (вь,кл). заряда обратного восстановления (Озог) и других.

Один ограничения носят принципиальный характер и связаны с особенностями работы приборов на основе многослойных структур с р-п переходами, другие ограничения связаны с техническим уровнем производства (качество исходного кремния, технологическое оснащение и т. д.).

При изготовлении тиристоров с повышенным быстродействием используются технологические процессы, применяемые в серийном производстве силовых полупроводниковых приборов, а также методы регулирования времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ).

Улучшения динамических свойств и получения оптимального сочетания основных параметров быстродействующих тиристоров связаны с уменьшением времени жизни (т) неравновесных носителей заряда (ННЗ).

Практически все методы уменьшения жизни ННЗ в монокристаллическом кремнии основаны на создании дополнительных каналов рекомбинации носителей заряда через глубокие центры в запрещенной зоне, вводимых в объем кристалла либо путем диффуции атомов соответствующих элементов (например, золота или платины), либо радиационными методами при облучении полупроводника пучком частиц высоких энергий.

Процессы, протекающие при выключении тиристоров, определяют предельное быстродействие, энергетические показатели и надежность работы тиристорного устройства. Параметры, характеризующие процесс выключения, оказывают решающее влияние на выбор элементов, обеспечивающих запирание тирис-

OB (узлов коммутации). Эти параметры в значительной степе-ниопределяют массу, габаритные размеры, стоимость, КПД и ряд других технико-экономических показателей тиристорной аппара-..nfct в целом.

область применения быстродействующих тиристоров чрезвычайно широка: мощные импульсные модуляторы, инверторы для ВЧ преобразовагелей, импульсные регуляторы постоянного и переменного токов, тиристорные стабилизаторы, бесконтактная коммутирующая аппаратура, преобразователи частоты, схемы автоматики и т. д.

Ниже приведены некоторые упрощенные схемы, которые показывают возможность использования в них быстро действу к>-щих тиристоров.

Импульсные модуляторы

В импульсных модуляторах быстродействующие тиристоры используются в качестве переключающего элемента. Для такой схемы типичен линейный модулятор {рис. 2.6). По принципу

работы он во многом напоминает последовательный инвертор. В схеме линейного модулятора конденсаторы в цепи формирующей линии (ФЛ) заряжаются через индуктивность L до 2£. Диод V2 поддерживает напряжение на ФЛ до того момента, пока не включится тиристор VL В этот момент ФЛ разряжается через импульсный трансформатор Тр в течение времени, определяемого параметрами ФЛ, образуя на нагрузке мощный короткий импульс.

Рис, 2.6. Схема линейного модулятора

Выключение тиристора в схеме (рис. 2.6) может происходить либо за счет перезаряда емкости конденсаторов ФЛ при незначительном ее рассогласовании, либо за счет того, что величина тока, протекающего через зарядный дроссель, диод V2 н тиристор, будет меньше, чем ток удержания тиристора.

Современные быстродействующие тиристоры позволяют в нагрузке получить короткие импульсы мощности до несколь-

ких мегаватт. Тиристоры, используемые в этих схемах, должны иметь весьма высокие значения скорости нарастания тока.

Ппной из обширных областей применения инверторов являются различного рода преобразователи ииыояпмсго тскэ в переменный, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты и т. д. Такое преобразование осуществляется с помощью:

инверторов - устройств, преобразующих постоянный ток в Переменный с постоянной или регулируемой частотой;

преобразователей частоты - устройств, преобразующих переменный ток одной частоты в перетиенный ток другой частоты;

модуляторов, преобразующих постоянный ток в импульсный;

трансформаторов постоянного тока, преобразующих постоянный ток одного уровня в постоянный ток другого уровня.

простым примером применения быстродействующих тиристоров является схема однополосного инвертора, используемая в телевизионных приемниках (рис. 2.7).

Схема работает следующим образом. В начальный момент конденсатор СЗ заряжен до напряжения fii- При включении тиристора VI через него протекают токи /, и направление которых указано на рисунке.

Через полупериод собственных колебаний контура LC3 конденсатор перезаряжается с полярностью, указанной в скобках. В следующий полупериод собственных колебаний нарастающий ток перезаряда конденсатора, протекая навстречу току включает тиристор в момент равенства нулю суммарного тока тиристора.

Рис.2 7 Схема тирисгорного инвертора