нов, ограничителей напряжения, симметричных ограничителей напряжения должно содержать:

слово Стабилитрон, Ограничитель напряжения;

тип прибора;

класс прибора.

При этом перед обозначением класса ставится тире.

Пример условного обозначения стабилитрона типа С121-15, пятого класса: Стабилитрон С121-15-5.

Пример условного обозначения ограничителя напряжения типа ОН123-50, пятого класса: Ограничитель напряжения ОН123-50-5.

При заказе и в нормативно-технической и конструкторской документации на другие изделия условное обозначение прибора должно быть дополнено обозначением климатического исполнения, категории размещения и стандарта или технических условий на прибор.

Например, при заказе ограничителя напряжения (см. предыдущий пример) климатического исполнения У, категории размещения 2 должно 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 на конкретные типы приборов);

дата изготовления (месяц, год).

При цветовом обозначении выводов вывод катода обозначается красным цветом, вывод анода - синим или черным, вывод управляющего электрода - желтым или белым цветом.

РАЗДЕЛ 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 проанализирована в специальной технической литературе [2 - 4, 7, 8] и поэтому в настоящем справочнике не рассматривается.

Полупроводник с одним р-п переходом является основой простейшего полупроводникового прибора - выпрямительного диода, вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 2.1. При приложении к диоду прямого напряжения через р-п переход протекает ток, значение которого для силовых полупроводниковых диодов составляет десятки, сотни и тысячи ампер (в зависимости от типа диода),

Обратное напряжение

Г

о Е

Прямое напряжент

Рис. 2.1. Вольт-ампериая характеристика диода

в то время как напряжение на нем остается незначительным - единицы вольт. Если к диоду приложено обратное напряжение, то через р-п переход протекает незначительный обратный ток порядка нескольких миллиампер, так что практически все напряжение источника падает на диоде. Таким образом, если к источнику переменного напряжения через диод подключить 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 характеристи1{а в области пробоя имеет очень малое дифференциальное сопротивление (на рис. 2.1 это показано штриховой линией), так что при кратковременных перенапряжениях в диоде рассеивается значительная энергия, а напряжение на нем остается практически неизменным. Разновидностью лавинного диода является стабилитрон, работающий в режиме электрического пробоя р-п перехода. При напряжении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а напряжение на нем остается равным напряжению стабилизации.

Технологически в одном полупроводнике можно создать несколько чередующихся п- и р-слоев. В зависимости от их числа, порядка чередования, а также с помощью определенных технологических операций 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 управляемый полупроводниковый прибор - тиристор, физика работы которого подробно описана в [2-8]. Вольт-амперные характеристики тиристора 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-

IT

1ог/ hi Гм Ir 0

(BR)

Рис. 2.2. Вольт-ампериые характеристики тиристора при различных токах управления Igj < Iq2 < 1сз

Рис. 2.3. Вольт-ампериые характеристики симметричного тиристора при различных токах уиравления /о/ > 1в2 >

тор переходит в проводящее состояние и работает как диод при прямом смещении. Если на управляющий электрод тиристора подавать нарастающее напряжение, то переход в проводящее состояние будет осуществляться все при меньших и меньших значениях прямого напряжения до полного спрямления прямой ветви вольт-амперной характеристики. Свойство тиристора отпираться только при наличии тока в цепи управления используется для регулирования мощности потребителей электрической энергии (регулирование частоты вращения в электропроводах постоянного тока, стабилизация тока, преобразование частоты и др.).

На основе пятислойных структур разработаны симметричные тиристоры [2, 3]. Вольт-амперные характеристики симметричного тиристора при различных значениях тока управления показаны на рис. 2.3. Способность проводить ток в обоих направлениях позволяет использовать симметричные тиристоры в качестве ключей и в схемах регуляторов переменного тока, а также применять их как реверсивные контакторы, например для изменения направления вращения двигателей постоянного тока и регулирования частоты вращения.

Еще одна разновидность приборов на основе многослойньк структур - тиристор-диод, вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 2.4. Эта структура позволяет совместить функции тиристора и встречно-параллельно включенного диода, что используется в некоторых схемах преобразователей для исключения нежелательных воздействий, возникающих при переходных коммутационных процессах.

В настоящее время ведется работа по созданию мощных полностью управляемых тиристоровкоторые могут быть переведены в закрытое состояние при подаче управляющего импульса в цепь управления. Успешная разработка и серийное освоение этого вида тиристоров позволили бы значительно упростить схемные решения многих разновидностей тиристорных преобразователей.

В некоторых источниках - тиристоры, выключаемые по цепи управления [2].

Рис. 2.4. Вольт-амперная характеристика тиристора, ироиодящего я обратном направлении, Iqj < 12 < as

I Фототиристор - однонаправ-

ленный переключатель тока, переводимый в проводящее состояние в результате воздействия света. Конструктивно фототиристор выполняется таким образом, что роль управляющего электрода выполняет определенный участок поверхности структуры, в котором при освещении через окно в корпусе тиристора возникает фототок, аналогичный току через управляющий электрод обычного тиристора, возникающему под воздействием напряжения источника управления Свойство р-п перехода излучать свет при рекомбинации носителей заряда в полупроводнике используется в оптотиристорах [2] Отличие от фототиристора заключается 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 которого основано на управлении движением носителей электрических зарядов в полупроводниковом кристалле.

В самом общем виде транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, разделенный двумя близкорасположенными р-п переходами на 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].

В отличие от тиристора транзистор может работать в режиме непрерывного усиления, когда значение коллекторного тока в определенном диапазоне изменения тока базы зависит от значения последнего.

Мощные транзисторы работают преимущественно в ключевом режиме. 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 переходы транзистора смещены в обратном направлении. Токи, протекающие через транзистор, малы. Этот режим соответствует разомкнутому состоянию транзисторного ключа;

2) в области насыщения. При этом оба р-п перехода имеют прямое смещение. Через транзистор протекает максимально возможный в данной схеме ток (ток насыщения). Этот режим соответствует замкнутому сортоянию 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;

Рис. 2.5. Включение траюистора ио схеме с общим эмиттером

Рис. 2.6. Области статических характеристик транзистора:

I - 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 обеспечить их высокую эксплуатационную надежность, необходимый срок службы, минимальную массу и габаритные размеры, простое и надежное соединение с охладителем, удобство группового соединения и др.

Основой конструкции полупроводникового прибора является выпрямительный 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 термокомпеисатор (вольфрам, молибден) или сплавлена с иим. В таком виде выпрямительный элемент монтируется в корпус прибора с помощью пайки или прижима, а затем корпус прибора герметизируется с помощью сварки или завальцовки. Это обеспечивает механическую прочность структуры и защищает ее от влияния окружающей среды.

В последнее время наибольшее распространение получают приборы прижимной конструкции, значительно облегчающей работу прибора 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 электрического контакта со стороны основания выпрямительного элемента помещаются серебряные прокладки 3. По оси катодного вывода 4 высверлено отверстие для вывода управляющего электрода 5, который прижимается к центральному управляющему электроду выпрямительного элемента с помощью пружины 6. Управляющий вывод через радиальное отверстие выводится во внешнюю среду с помощью изоли-

рованного проводника 7. Управляющий электрод изолирован от катодного вывода с помощью изолятора 8. Катодный вывод по высоте прибора изолирован от других элементов с помощью изолирующей трубки 9. Для создания необходимого усилия прижима служат тарельчатые пружины 10 При сборке прибора давление от пресса с помощью держателя передается на конструкцию через опорную шайбу 12 и опорный изолятор 13. Держатель под действием давления входит во фланец 14, после чего производится за вальцовка по фланцу.

Конструкция прибора в собранном виде показана на рис. 2.8. На арматуру надевается металлокерамический корпус, нижнее основание которого приваривается к буртику фланца. Во втулку корпуса вставляется гибкий силовой вывод, и производится обжим. На рнс 2 9 показана конструкция тиристора таблеточного исполнения типа Т153-630. В отличие от штыревого прибора в этой конструкции необходимое усилие сжатия создается извне либо с помощью соответствующей конструкции охлаждающего устройства, либо путем применения других специальных зажимных устройств, обеспечивающих регламентируемое усилие сжатия при электрических нагрузках.

Выпрямительный элемент 1 с центральным управляющим электродом помещен между основаниями металлокерамического корпуса, состоящего из собственно корпуса 2 и крышки 3. Между основаниями корпуса и выпрямительного элемента расположены серебряные прокладки 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 помощью керамической втулки 6 и поджимается пружиной 7. Фторопластовое кольцо 8 служит для исключения смещения выпрямительно-

Рис. 2.7. Конструкция тиристора Т171-320 до завальцовки в корпус

Рнс. 2.8. Конструкция тиристора Т171-320 после окончательной сборки

Рис. 2.9. Конструкция тиристора Т153-630

ГО элемента относительно оснований корпуса. В основаниях имеются углубления 9 под штифты, фиксирующие положение таблетки относительно поверхностей охлаждающих устройств, на которые монтируется тиристор.

На рис. 2.10 показана конструкция тиристора Т160 с выпрямительным элементом, припаянным к анодному и катодному выводам. Выпрямительный элемент вначале напаивается на медное основание 1, служащее анодом тиристора. К верхнему термокомпенсатору выпрямительного элемента припаивается чашечка 2, в которую впаивается внутренний гибкий вывод 3, соединенный внутри стальной втулки с внешним гибким силовым выводом 4. К управляющему р-п переходу выпрямительного элемента припаивается внутренний управляющий электрод 5, соединенный через изолированную стальную втулку 6 с наконечником управляющего электрода 7. В медном основании имеется кольцевая выточка, в которую перед установкой корпуса 5 помещается фторопластовая прокладка Р, усиливающая после завальцовки стыков крышки и основания степень герметизации прибора. Выводы силового катодного и управляющего электродов осуществляются через метал-лостеклянную крышку. Основание корпуса изготавливается совместно с нарезным болтом 10, служащим для соединения прибора с охлаждающим устройством

Кроме рассмотренных конструкций силовых полупроводниковых приборов штыревого и таблеточного исполнения, получивших наибольшее распространение, применяются также корпуса с плоским основанием и под запрессовку. Корпуса с плоским основанием применяются в приборах для бесщеточных систем возбуждения мощных турбогенераторов. Основания таких корпусов изготавливаются без шпильки и имеют круглую или квадратную форму. По углам квадрата или по периметру окружности имеются отверстия для крепления прибора к охладителю с помощью болтов.

Конструкция корпуса под запрессовку применяется для автотракторных диодов. Основание корпуса имеет форму медного стаканчика с наружной насечкой, к которому сверху припаяно стальное кольцо диаметром, большим диаметра стаканчика. Запрессовка такого прибора производится давлением на выступающую часть стального кольца.

Рис. 2.10. Конструкции тиристора Т160

Рис. 2.11. Конструкции тиристора Т500 в сборе с охладителем ОА-031

Наибольшую сложность представляет сборка с охладителями приборов таблеточной конструкции. В квчестве примера на рис. 2.11 приведена конструкция тиристора Т500 в сборе с охладителем ОА-031. Тиристор / крепится между двумя охладителями 2 и 3 с помощью болтов 4 п5. Болты изолированы от охладителяизшшрунщуши втулками 6 и 7. Требуемое усилие сжатия обесп^яиВается траверсот~*4И закаленной стали. Для обеспечения рав!}вйерного давления на контактные поверхности тиристора усилиехжатия от траверсы на охладители передается через изолятор с полусферическими выступами, помещенный между траверсой и охладителем 2. Контроль усилия сжатия осуществляется по прогибу траверсы с помощью специальных индикаторов.

Электрические noTejJH, обусловленные прохождением тока через полупроводниковый прибор, вызывают выделение теплоты, которая отводится с помощью систем охлаждения. Основные требования, предъявляемые к системам охлаждения, следующие;

минимальное тепловое сопротивление при минимальном расходе охлаждающего агента;

обеспечение необходимого усилия сжатия для систем охлаждения приборов таблеточной конструкции;

высокое качество поверхностей, контактирующих с прибором, в части шероховатости и неплоскостности;

минимальные габариты и масса;

удобство монтажа прибора в сборе с охладителем в конструкции преобразователей;

минимальный перепад давления при принудительном охлаждении.

При монтаже приборов штыревого типа на охладители должен обеспечиваться определенный закручивающий момент, значение которого указывается в справочных данных для прибора и реализуется с помощью специальных моментных ключей. Более сложным является монтаж приборов таблеточного типа. Здесь необходимо, во-первых, обеспечить равномерность сжатия по всей поверхности и, во-вторых, создать заданное усилие сжатия. Последнее обеспечивается с помощью специальных устройств, а порядок монтажа определяется инструкциями заводов-изготовителей.

Большое значение при сборке приборов с охладителями имеет соблюдение их соосности. Кроме того, недопустимо применять в качестве прокладок материалы, создающие в контактных соединениях пары, приводящие к быстрой коррозии. И то, и другое приводит к увеличению тепловых сопротивлений, что ухудшает нагрузочную способность приборов.

Следует помнить, что для обеспечения эффективности принудительного охлаждения охладители систем воздушного охлаждения должны монтироваться таким образом, чтобы их ребра были параллельны направлению воздушного потока. При применении охладителей систем водяного охлаждения должны быть учтены требования к качеству воды (удельное электрическое сопротивление не должно влиять на перераспределение напряжения между участками электрической схемы преобразователя).

РАЗДЕЛ 3

ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

3.1. СИСТЕМА ПАРАМЕТРОВ

Параметры силовых полупроводниковых приборов разделены на две группы [12]: предельно допустимые значения и характеризующие параметры. Под допустимым значением следует понимать значение любой электрической, тепловой, механической величины, относящейся к окружающей среде, определяющее условия, при которых ожидается удовлетворительная работа полупроводникового прибора.

Предельно допустимое значение - это допустимое значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, за пределами которых прибор может быть поврежден,

Предельная способность и предельные условия могут быть максимальными и минимальными, при этом им соответствуют максимально допустимые значения и минимально допустимые значения. Предельно допустимые значения устанавливают на основе опыта, испытаний или расчетов.

Характеризующий параметр - значение электрической, тепловой или механической величины, которое характеризует соответствующее свойство прибора. Характеризующие параметры являются непосредственно или косвенно измеряемыми величинами.

3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В отличие от ранее действовавших нормативно-технических документов в настоящих стандартах все параметры приборов обозначаются буквами латинского алфавита [13]. При этом система обозначений основана на следующих основных правилах:

1. Основные буквы. Импульсные значения, средние значения, постоянные значения и действующие значения обозначаются прописными буквами. Мгновенные значения изменяющихся во времени величин обозначаются строчньпки буквами.

2. Индексы обозначаются в основном прописными буквами. Исключение составляет обозначение предельных значений ш (максимально допустимое значение) или min (минимально допустимое значение), критических значений индексом crit и общих (суммарных) значений индексом tot, а также строчные индексы в соответствии со следующим перечнем:

А - вывод анода AV, (AV) - среднее значение

(ВО) - соответствует переключению (BR) - соответствует пробою

D, d - закрытое состояние, в качестве второй буквы - неот-пирающий

F -прямое направление (относится к диоду) G, g - вывод управляющего электрода Я - соответствует удержанию К - вывод катода L - соответствует включению

М - основной вывод, импульсное (амплитудное) значение

О - разомкнутая цепь

(0V) - соответствует перегрузке

Q - запирающий

R, г - обратное направление, в качестве второй буквы - повторяющийся, соответствует восстановлению