Мощные силовые диоды
Вступление
Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие лПолупроводниковый диод объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации Полупроводниковый диод соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных Полупроводниковый диод различают: выпрямительные диоды,
импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы,
смесительные, параметрические, силительные и генераторные, множительные,
переключательные). Среди оптоэлектронных Полупроводниковый диод выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.
Наиболее многочисленны Полупроводниковый диод, действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (рЧn<-перехода).
Если к рЧn<-переходу диода (рис. 1)
приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р<-области в
n<-область и электронов из n<-области в р<-область - течёт большой прямой ток (рис. 2).
Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через рЧn-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого Полупроводниковый диод. На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных стройств и др.
сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные Полупроводниковый диод, имеющие допустимый выпрямленный ток Iв до 300 и максимальное допустимое обратное напряжение U*обр
от 2Ч30 в до Ч2 кв. Полупроводниковый диод аналогичного применения для слаботочных цепей имеют Iв
< 0,1 и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U*o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой рЧn<-перехода, приводящий к выходу Полупроводниковый диод из строя. С целью повышения U*обр
до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных Полупроводниковый диод соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем,
что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники)
составляет > 10-5Ч10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 5Ч2 гц).
Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия
и кремния
золотом)
позволило снизить время переключения до 10-7Ч10-10 сек и создать быстродействующие импульсные Полупроводниковый диод, используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.
При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой рЧn<-перехода Ч резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации Ucт.
На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с Ucт от Ч5 в до 10Ч150 в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения;
прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность Ucт (до 1×10-5Ч
5×10-6 К-1), - в качестве источников эталонного и опорного напряжений. В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство рЧn-перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в рЧn<-переходе (характеризующаяся временем 10-9Ч10-10
сек) обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде,
вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь)
генерирование СВЧ колебаний. Это свойство спешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150 Ггц.
Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные Полупроводниковый диод и видеодетекторы,
в большинстве которых рЧn<-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости Св (рис. 3),
а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности Lk и ёмкости Ск и возможность монтажа диода в волноводных системах.
При подаче на рЧn<-переход обратного смещения, не превышающего U*обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость Св зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах, служащих для силения СВЧ колебаний, в варикапах и множительных диодах, служащих для множения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих Полупроводниковый диод стремятся меньшить величину сопротивления rб (основной источник активных потерь энергии) и силить зависимость ёмкости Св
от напряжения Uo6p.
У рЧn<-перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда,
оказывается очень тонкой (~ 10-2 мкм), и для неё
становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер (см. Туннельный эффект). На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующих импульсных стройствах (например, мультивибраторах, триггерах), в силителях и генераторах колебаний СВЧ, также обращенного диода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ колебаний. Их ВАХ (рис. 4) существенно отличаются от ВАХ других Полупроводниковый диод как наличием участка с лотрицательной проводимостью, ярко выраженной у туннельного диода,
так и высокой проводимостью при нулевом напряжении.
К полупроводниковый диод относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную рЧnЧрЧn<-структуру и называют динисторами (см. Тиристор), также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без рЧn<-перехода Ч Ганна диоды. В Полупроводниковый диод используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл - полупроводник (см. Шотки эффект, Шотки диод) и рЧiЧn<-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками рЧn<-перехода.
Свойство рЧiЧn<-структуры изменять свои электрические характеристики под действием излучения используют,
в частности, в фотодиодах и детекторах ядерных излучений, строенных т. о., что фотоны или ядерные частицы могут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к рЧn<-переходу, и изменять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации электронов и дырок,
проявляющийся в свечении некоторых рЧn<-переходов при протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах. К Полупроводниковый диод могут быть отнесены также и полупроводниковые лазеры.
Большинство Полупроводниковый диод изготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), которая позволяет одновременно получать до нескольких тысяч Полупроводниковый диод В качестве полупроводниковых материалов для Полупроводниковый диод применяют главным образом Si,
а также Ge, GaAs
Вдля обозначения Полупроводниковый диод применяют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует используемый полупроводник, вторая - класс диода, цифры определяют порядковый номер типа, последняя буква - его группу (например, ГД40А - германиевый ниверсальный диод; КС19Б - кремниевый стабилитрон).
От своих электровакуумных аналогов, например кенотрона, газоразрядного стабилитрона, индикатора газоразрядного, Полупроводниковый диод отличаются значительно большими надёжностью и долговечностью, меньшими габаритами, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения.
С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными Полупроводниковый диод диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах, где полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции стройства.
Выпрямительные диоды
В настоящее время, в качестве выпрямительных диодов используют твердотельные стройства, они характеризуются малыми габаритами, малым падением напряжения и высокой надежностью. Но во многих публикациях отмечалось, что силитель, снабженный выпрямителем на твердотельных диодах, звучит хуже, чем этот же силитель с выпрямителем на вакуумных диодах.
Одной из причин этого является возникновение высокочастотных колебаний с широким спектром во время процесса запирания диода при смене на нем полярности приложенного напряжения.
Упрощенно, не углубляясь в физику работы полупроводникового диода (процессы коммутации диодом тока весьма сложны), механизм возникновения помех объясняется протеканием через диод обратного тока и резким его прерыванием в момент запирания.
На рисунке 7 показана временная диаграмма тока, текущего через диод при его запирании.
При протекании через диод прямого тока (диод открыт) в области базы происходит накопление избыточных зарядов. По мере меньшения разности потенциалов на выводах диода ток через него меньшается и в точке А становится равным нулю. Но диод еще не заперся, и при смене полярности на его электродах через диод будет протекать реверсный ток, рассасывающий избыточный заряд в области базы, падение напряжения на диоде приблизительно равно прямому падению. Когда базовый заряд станет равным нулю, прямое напряжение на диоде резко изменяется на обратное. Этот момент запирания диода соответствует точке В на диаграмме. Как видно из диаграммы, процесс установления обратного сопротивления происходит очень быстро (~0.3 S) и сопровождается прерыванием тока, что и вызывает возникновение паразитных колебаний.
|
|
|
|
Рисунок 1 |
Рисунок 2 |
мплитуда реверсного тока существенно зависит от избыточного заряда базы, который, в свою очередь, зависит от величины прямого тока через диод и конструктивных параметров диода, связанных с площадью кристалла [2]. Поэтому, часто встречающаяся в литературе рекомендация использовать для выпрямителя мощные низкочастотные диоды совершенно справедлива и позволяет меньшить паразитные колебания. Это происходит за счет снижения избыточного заряда базы, то есть снижения амплитуды реверсного тока и более медленного процесса восстановления обратного сопротивления. Однако, используя мощные, низкочастотные полупроводниковые диоды следует учитывать, что они имеют очень большую барьерную емкость, которая может, как меньшить величину паразитных колебаний, так и привести к их возрастанию. Характер ее влияния зависит как от режима работы диода, так и от цепей, к которым он подключен.
Существует еще один способ демпфирования паразитных колебаний, очень часто использующийся в импульсных преобразователях. Это шунтирование диода демпфирующей RC цепью (рисунок 8), обеспечивающей подавление паразитных колебаний и их быстрое затухание. Точный расчет значений R и C довольно сложен, величина C, лежит в пределах 100 ÷ 1 pF, R - 10 ÷ 100 Ом. Чем меньше величина выпрямленного напряжения, тем больше величина C и меньше R.
Для источников питания ламповых силителей средней мощности в качестве выпрямительных диодов целесообразно использовать вакуумные диоды.
Их основным преимуществом является отсутствие эффекта протекания реверсного тока [4], что обеспечивает полное отсутствие паразитных колебаний в моменты коммутации тока. Высокое динамическое сопротивление вакуумного диода, которое часто определяется как его недостаток, в нашем случае, становится достоинством, так как эффективно демпфирует импульсы тока, потребляемого емкостным фильтром. Возможно, именно различием динамических сопротивлений можно объяснить некоторое различие в звучании силителя с разными типами вакуумных диодов.
Если Вы используете твердотельные диоды, то при небольших выпрямленных токах и высоких напряжениях целесообразно включить последовательно с каждым из них активное сопротивление величиной 30 ÷ 100 Ом. Это не только меньшит амплитуду импульса потребляемого тока, но и существенно лучшит режим коммутации диода, естественно ценой этому будет снижение КПД.
Еще одним достоинством вакуумного диода является очень маленькая (4 ÷ 6 pF) и практически независимая от обратного напряжения проходная емкость.
Также немаловажным фактором является плавное нарастание анодного напряжения при включении схемы.
Недавно появившиеся высоковольтные диоды на основе карбида кремния [5] обладают временем восстановления обратного сопротивления равным нулю, и по этому параметру сравнялись с вакуумными диодами. Возможно, это поставит точку в затянувшемся споре, какой тип лучше использовать в высоковольтных выпрямителях аудио аппаратуры, но пока нет какой- либо информации об использовании этого типа диодов в аудио аппаратуре и влиянии их на качество звука.
Пример научного исследования оптимизации и повышения мощности в одномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP
В предыдущем пункте было немного сказано о диодах, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP
Экспериментально и аналитически исследованы возможности достижения максимальной оптической мощности излучения в одномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP
Показано, что основным требованием обеспечения одномодового режима работы в широком диапазоне токов накачки для лазерных диодов является точный выбор значений скачка эффективного показателя преломления AnL в плоскости, параллельной р<- Методом МОС-гидридной эпитаксии разработана InGaAsP2 и внутренним квантовым выходом стимулированного излучения 93-99%. Проведена оптимизация мезаполосковой конструкции лазерного диода для разработанной InGaAsP
Достигнута выходная непрерывная мощность излучения 185 мВт при одномодовом режиме работы лазерного диода с шириной мезаполоска W = 4.5
мкм (2 = 1480 нм), максимальная непрерывная мощность составила
300 мВт. Полуширина излучения параллельного дальнего поля возросла на 1
1. Введение В последнее время резко возрос интерес к мощнным лазерным диодам,
излучающим в диапазоне длин волн 1300-1600 нм в нулевой продольной оптической моде. В первую очередь это связано с их примененинем в волоконно-оптических линиях связи, в качестве источников накачки волоконно-оптических силителей, легированных
Er3+, и рамановских волоконных силителей в диапазоне длин волн
1400-1500 нм [1]. Для таких применений лазерных диодов необходимы постоянная выходная рабочая мощность на ровне сотен миллинватт, точная пиковая длина волны излучения, высокая излучательная эффективность лазерного диода и эфнфективность ввода в одномодовое оптическое волокно. Все эти требования необходимо учитывать в разработке одномодовых лазерных диодов. До настоящего момента в мире лишь несколько компаний (Furukawa Electric, JDS<-Uniphase,
Цель данной работы состояла в исследовании, разнработке и изготовлении мощных одномодовых лазеров на основе квантово-размерных InGaAsP
Разработка конструкции и изготовление одномодовых лазерных диодов, т.е. диодов, излучающих на нулевой поперечной оптической моде, представляет комплекснную задачу. Для ее решения необходимо выполнение многих требований. Во-первых, это использование тщантельно проработанного дизайна лазерной гетерострукту-ры,
обеспечивающего минимальные значения внутреих оптических потерь (аг), напряжения отсечки (Uc) и максимального внутреннего квантового выхода стимулированного излучения (д). Как показали наши предындущие исследования [5,6], квантово-размерная двойная гетероструктура раздельного ограничения (КР РО ДГС) InGaAsP
КР двойные гетероструктуры раздельного ограниченния InGaAsP Рис.
1. Схематическая энергетическая зонная диаграмма квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения InGaAsP
Гетероструктуры состояли из широкозонных, сильно легиронванных эмиттеров, роль которых играли слои п<- и
/?-InP; ступенчатого волновода, выполненного на основе четнверных твердых растворов In<-Ga<-As<- w1 <= 1.03 эВ, Е w2 <= 1.24 эВ) с общей толщиной 0.65 мкм; активной области, образованной двумя напряженными InGaAsP<-квантовыми ямами ( Второй основной задачей для достижения режима работы лазерного диода на фундаментальной оптической моде является выбор его конструкции, обеспечивающей возможность формирования волновода в плоскости, панраллельной р-^-переходу. Из всего многообразия коннструкций лазерных диодов наиболее эффективными для достижения волноводного эффекта в горизонтальном направлении являются мезаполосковая конструкция и конструкция Дзарощенная мезУ [2,3]. Мезаполосковая конструкция лазерного диода отличается своей надежнностью, простотой изготовления и малыми дополнительнными внутренними потерями, вносимыми при формировании мезаполоска [9]. Одно из преимуществ зарощен-ной конструкции - это возможность достижения сверхннизких пороговых токов и лучшие частотные характеристики [2]. Однако ее серьезным недостатком являются технологические трудности, связанные с практической реализацией [2]. Это в основном и предопределило наш выбор в пользу мезаполосковой конструкции. Формирование горизонтального волновода в плосконсти,
параллельной р<-/7-переходу лазерной гетерострукнтуры,
достигается за счет создания скачка эффективнного показателя преломления AnL между активной и пассивной областями мезаполоска. Для обеспечения од-номодового режима работы лазерного диода необходимо выбрать вполне определенное значение AnL. В мезапонлосковой конструкции лазерного диода на основе КР РО ДГС AnL в основном зависит от следующих параметров: длины волны излучения (Я), ширины мезаполоскового контакта (W), глубины травления (Ah), толщины (Dw) и ширины запрещенной зоны (ЕЩ) волноводных слоев. Концентрация свободных носителей в слоях гетеронструктуры и реальная температура в области активного слоя также влияют на значение AnL. Расчет профиля эффективного показателя преломнления AnL в мезаполосковой конструкции лазерного диода на основе КР РО ДГС InGaAsPw и ДА гетероструктуры. словия сохранения оптимальных значений параметров г\, Рис.
2. Расчетная зависимость ширины мезаполоска W от скачка эффективного
показателя преломления Aweff,
соответствующего
словию отсечки первой моды. На основании проведенных вычислений из вынращенной гетероструктуры партия (КР 1439-1), зоя диаграмма которой приведена на рис. 1, были изготовлены гетеролазеры мезаполосковой конструкнции со следующими параметрами: W <= 4.5мкм и AnL <= (3.8-4.5)
Х 10-3. Для формирования мезаполоска наносилась маска из фоторезиста,
через которую проводилось химическое травление [11]. В процессе травления по обе стороны от мезаполоска вытравливались канавки, глубина которых определялась положением стоп-слоя, сформированного в процессе роста в p<-InP<-эмиттере. Для достижения максимальной выходной мощности лазерного диода необходимо стремиться к величению ширины мезаполоска,
что позволяет снизить плотность оптической мощности на выходном зеркале, а значит, повысить величину рабочего тока. Однако поскольку максимальная ширина мезаполоска Wmax одномодовых лазеров определяется также эффективностью ввода изнлучения в одномодовое волокно, верхний предел был выбран Wmax <= 5мкм. Рис. 3. Ватт-амперная характеристика в непрерывном ренжиме генерации с температурой теплоотвода 20◦C во всем диапазоне токов накачки для лазерных диодов:
2. Экспериментальные результаты Все изготовленные лазерные гетероструктуры меза-полосковой конструкции раскалывались на отдельные лазерные чипы с длиной резонатора L <= 0.3-3мм, конторые напаивались на медные теплоотводы полосковым контактом вниз с помощью индиевого припоя. Типичная ватт-амперная характеристика при непренрывном режиме накачки лазерных диодов, изготовлеых на основе гетероструктуры партии КР1439-1, изобнражена на рис. 3,a.
Видно, что же при достаточно малых плотностях тока накачки происходит срыв ватт-амперной характеристики. Важно отметить, что этот срыв генерации имеет обратимый характер гистерезис-ного типа и, естественно, не связан с катастрофической оптической деградацией зеркал. Наблюдаемый эффект объясняется тем, что результаты расчетов,
приведенные на рис. 2, в полной мере не отражают всех процессов, происходящих в реальных приборах. Так, известно, что величение концентрации свободных носителей заряда понижает коэффициент преломления полупроводниконвого материала
[12]. Таким образом, с величением тока инжекции вплоть до порогового значения Ith пандает коэффициент преломления активной области за счет накопления инжектированных носителей в области квантовых ям до величины пороговых концентраций th. Дальнейшее величение тока накачки приводит к повышению концентрации свободных носителей в волноводных слоях, что вызвано как процессом инжекнции, так и выбросом электронов из квантовой ямы в барьерные слои [7,13]. Суммарный вклад инжектированных носителей в пределе может привести к коллапсу встроенного волновода или образованию антиволновонда [14]. Срыв генерации наблюдался нами практически у всех лазерных диодов, изготовленных из гетероструктур партии КР 1439-1. Зависимость значений плотности тока накачки, при которых происходил срыв генерации, от длины резонатора лазерного диода имеет сублинейный характер.
Данный факт может быть связан с нелинейным характером поведения зависимости пороговой конценнтрации носителей заряда от суммарных потерь [15]. В связи с тем что кпд лазерного диода не 100%, часть мощности рассеивается в виде тепла, что ведет к повышению температуры рабочей области лазерного диода. Величина перегрева может достигать 60
Для предотвращения срыва генерации были изготовлены мезаполосковые лазеры с большим скачком эффективного показателя преломления AnL <= <= (6.2-6.8)-10-3.
Как следствие, лазерные диоды, изготовленные из такой гетероструктуры (партия КР1439-2), отличались отсутствием гистерезиса ватт-амперной характеристики во всем диапазоне стабильной одномодовой генерации. Таким образом, величина перепада эффективного коэффициента преломления,
равная AnL = (6.2-6.8)
Х 10-3, вполне достаточна, чтобы предотвратить явление коллапса встроенного волновода, связанное с повышением концентрации свободных носителей заряда в волновод-ных слоях и активной области. Одномодовый режим генерации при непрерывной накачке таких лазерных диодов с естественными зеркалами сохранялся до мощности
70 мВт на одно выходное зеркало.Нанесение отражающих (R > 95%) Si2 покрытий на грани резонaтора Фабри-Перо лазерного диода позволило повысить выходную мощность излучения в одномодовом режиме генерации более чем в 2 раза. Такое величение связано не только с небольшим ватт-амперная характеристика в непрерывном режиме генерации таких лазерных диодов. Линейный характер зависимости наблюдается во всем диапазоне одномодового режима работы лазерного диода.
При дальнейшем величении тока накачки в ватт-амперной характеристике последовательно наблюдаются ДкинкУ,
плавное насыщение и срыв генерации (рис. 3,
Рис. 4. Распределение интенсивности излучения в дальней зоне и в плоскости, параллельной рЧ/7-переходу,
при различных значениях выходной оптической мощности: a - для лазерного диода партии КР 1439-2,
значение ширины поля на половине интенсивности
(Ом),град.: 1 - 7.9, 2 - 8.0, 3 - 8.5, 4 - 9.0, 5
Ч 9.1, 6 - 7.9; мощность излучения ва непрерывнома режиме генерации, мВт:а 1а Ча 5, 2а Ча
25, 3-50, 4 - 100, 5 - 185, 6 - 200; b - для лазерного диода партии КР1439-3, значение ширины поля на половине интенсивности (Ом),град.:а
1 Ча 10.1, 2 Ча 11.5, 3 Ча 14.2, - 16.5, 5 - 17.3, 6 - 17.7, 7 - 17.9; мощность излучения в
непрерывном режиме генерации, мВт: 1 - 20, 2 - 40, 3 Ч
60, 4 - 80, 5 - 100, 6 - 125, 7 - 150. Необходимо отметить, что до появления излома на ватт-амперной характеристике картина дальнего поля излучения лазерных диодов практически не изменяетнся при величении тока накачки. Значение ширины диаграммы направленности излучения на полувысоте интенсивности (0..) слегка величивается от 8
Дальнейшее величение скачка эффективного показантеля преломления AnL до значений (Ч8) Х 10-3 (партия КР1439-3) приводит к возникновению кинка (излома) на ватт-амперной характеристике лазеров же при тонках накачки, близких пороговым значениям. При этом происходит непрерывный заметный рост полуширины диаграммы направленности излучения в горизонтальной плоскости с величением токов накачки. Необходимо отметить, что при этом распределение интенсивности излучения в дальней зоне хорошо описывается функцией Гаусса. Такой режим работы лазера можно назвать однолепестковым. И только при достаточно высоких плотностях токов накачки в картине дальнего поля появляются дополнительные максимумы, казывающие на присутствие мод высших порядков (рис. 4b). Исследование спектров излучения лазерных диодов партии КР 1439-3
показало, что излучение носит не одномодовый характер сразу после порога генерации. Это выражается в том, что кроме пиков,
соответствунющих только фундаментальной моде c межмодовым расстоянием
dА,
А-а длина волныгенерации,
а Е306 А Е306 Б Импульсное или постоянное обратное
напряжение, В 2 3 Номинальный ток, мА 1,0 1,0 Постоянный обратный ток*, мкА 0,03 0,05 Масса, г ? 0,1 ? 0,1 Допустимая частота рабочего напряжения, кГц 50 50 Постоянное прямое напряжение (при Iпр =1,0 мА) В 6,0 6,0 Рабочая температура окружающей среды,
Ц45...+60 Ц45...+60 Силовые
IGBT -модули прижимной конструкции играют особую роль в развитии железнодорожного транспорта.
Применение этих перспективных приборов с минимальным весом и габаритами в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, простить схему правления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора и дросселей. Структура IGBT
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) -
полностью правляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено словное обозначение IGBT. рис. 1. словное обозначение IGBT рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT
IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, правляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)
и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре:
биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал правления).
Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C
(коллектор), в цепь правления - выводом G (затвор). Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.
Преимущества прижимной конструкции
IGBT
Наряду с развитием традиционной технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированным основанием продолжает интенсивно развиваться технология прижимной конструкции IGBT- модулей (см. рис.3), подобная таблеточной конструкции тиристоров SCR (Silicon Controlled Rectifier) и
GTO (Gate Turn<-Off) - press-pack technology,
в которой наряду с меньшением более чем в 10 раз теплового сопротивления и габаритов значительно лучшены надёжность, термоциклоустойчивость [1]. Высоких параметров IGBT- модулей прижимной конструкции достигла компания Westcode. Полное отсутствие проволочных соединений,
сварки и пайки позволило принципиально лучшить режим эксплуатации силового кристалла.
Каждый отдельный IGBT и диод выполнен в своей ячейке. Параллельное включение таких элементов позволяет получить нужные конечные характеристики модуля. На рис.3, показан модуль на 900 Ампер,
5200 Вольт. Электроды затворов выполнены в виде прижимных золотых контактов, которые объединяются посредством общей печатной платы. рис.3 Поскольку внутренние базовые элементы имеют одинаковую конструкцию для одного напряжения, то легко могут быть получены специальные конфигурации модуля в одном и том же корпусе. Границы определены только возможностями корпуса и величиной потерь, которые приведены на рис.4. рис.4 Полученные характеристики надежности показывают значительное превосходство перед альтернативными методами изготовления модулей, в том числе и паяных конструкций. Отсутствие проволочных соединений, пайки и сварки странило основную причину повреждения модулей в процессе эксплуатации: неравномерное распределение тока, термоудар и механическую деформацию от перегрева. IGBT-чипы изготовленны по PT (punch through)
технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du /dt стойкостью,
и обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет спешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях. Внутренняя паразитная индуктивность затвора и эмитера значительно меньшена по сравнению с обычными выводными IGBT модулями, что делает их более выносливыми при коротких замыканиях по выходной нагрузке. Принципиальным отличием данной технологии является возможность двухстороннего охлаждения кристалла и двоение эффективности охлаждающей системы. В дополнение, прямое охлаждение эмиттерного контакта подразумевает наличие области безопасной работы SOA в характеристике модуля. Герметичный корпус предлагает другую опцию- возможность погружения модуля во фреон или масло для более эффективного охлаждения. Использование в тяговом электроприводе
включении и выключении. Это означает, что для замены GТО тиристора может быть использован IGBT, у которого токовая характеристика в
2 раза меньше. Рассмотрим для примера 2-х ровневый трехфазный преобразователь с ШИМ на GТО тиристорах. В данном проекте применены 50А
закономерным выбором для построения современного преобразователя. В дополнение отметим, что система крепления осталась без изменения, поскольку модули выполнены в одном конструктивном исполнении с GТО тиристорами.
Трамвай в Варшаве
Начиная с сентября 2003 года, Институт Электротехники Польши применяет
трамвай имеет два силовых преобразователя и лишь один был заменен на IGBT, при этом сохранилась полная функциональность всего оборудования.
Тяговый электропривод (Польский проект) Немного более амбициозный проект был реализован в Польше для модернизации РКР рис.5 Данный локомотив работает от контактной сети 3 Вольт постоянного тока. Локомотив приводится в движение четырьмя двигателями,
объединенными в две группы с последовательным соединением (см. рис.6).
Потребляемая мощность нормализуется с помощью входного фильтра, включенного сразу после контактной сети. Напряжение контактной сети может быть величено до
4 кВольт с кратковременным значением 5 кВольт, поэтому были использованы последовательно соединенные IGBT на 5200 Вольт (WESTCODE T0850TA52B) с конденсатором для подавления пульсаций. Преобразователь состоит из трех идентичных модулей, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных IGBT и двух диодов. Модуль правляется драйвером C0030BG400 компании WESTCODEа с оптическим интерфейсом и изоляцией 10 кВольт. RC снабберные цепи использованы совместно с диодами, IGBT работает без снабберных цепей. Один модуль контролирует ток двух последовательно соединенных двигателей, третий модуль используется для защиты от превышения напряжения. Каждый из модулей собран с использованием алюминиевых радиаторов с хорошей теплопроводностью и компактными размерами (см. рис.7). стройство собрано из двух субмодулей: один состоит из IGBT,
другой- из диодов, что позволило меньшить собственную индуктивность конструкции и нифицировать систему крепления элементов.
Система охлаждения собрана в огнебезопасном GPO3 конструктиве в виде трубы, который обеспечивает прямое охлаждения элементов при отсутствии обдува критичных к воздействию поверхностей. При становке системы, два модуля, непосредственно правляющие моторами, были становлены перед трубой системы охлаждения, в то время как модуль контроля напряжения охлаждался естественной конвекцией. Ток двигателя контролировался с помощью ШИМ
400 Гц. Максимальный рабочий ток двигателя- 32А, пиковый ток- 40А. Привод управляется микропроцессором, который обеспечивает нужные функции правления,
разгона и торможения двигателей. рис.6 рис.7 Преобразователь был протестирован вместе с системой правления и контроля лабораторией IEL в Варшаве (см. рис.7.),
обеспечил заданные характеристики во всех режимах и был становлен в локомотив для дальнейшей работы. Заключение На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает, и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором прижимной конструкции (
Таблица 1 Наименование IGBT Vces Ic A Icm Vce(sat) В Eon Eoff VF В Idm tdrr Qdr мкК Tjm IGBT
Диод K/W
K/W Размеры, Диаметр x высота, мм T0160NA45A T0160NA52A T0250NA45E T0250NA52E T0360NA25A T0500NA25E T0650TA52A T0900TA52E T1200TA25A T1500TA25B T1500TA25E 4500 160 310 3.8 0.5 0.42 4.5 нет 400 нет 0.96 2.3 1.5 нет 340 нет 125 0.056 0.092 74*26 74*26 Сокращения: VCES - максимальное напряжение между коллектором и эмитером,
IC - максимальный DC ток коллектора при температуре 125
Силовые блоки на основе мощных диодов и тиристоров Часть 1. Выпрямители. Ключи переменного тока В статье представлены результаты работы проводимой в Электровыпрямитель в области конструирования и производства силовых сборок, выполненных по стандартным схемам преобразования электрической энергии. При всем многообразии выпускаемых сегодня преобразователей, в них всегда присутствуют типовые силовые схемы, которые целесообразно использовать как отдельные законченные сборки, рассчитанные, в зависимости от применения, на различные рабочие напряжения и токовые нагрузки. Построение силовых схем в виде отдельных моноблоков позволяет достичь максимально высоких технических и массогабаритных показателей, также обеспечить существенное снижение издержек в производстве и обслуживании преобразовательного оборудования. Электровыпрямитель< обладает более чем 40-летним спешным опытом проектирования и производства силовых полупроводниковых приборов
(СПП),охладителей и преобразовательных стройств для многих областей применения. Это дает возможность предложить заказчику разнообразные технические решения в области силовых схем - от простейших выпрямительных мостов до сложных преобразователей мощности мультимегаваттного диапазона. Базовые силовые сборки компании состоят из мощных полупроводниковых приборов в дискретном или модульном исполнениях, теплоотводов с жидкостным и воздушным охлаждением, соединенных по стандартным схемам: B2U,
B2HK, B2C, B6U, B6HK, B6C, W1C, W3C2, W3C и др. Кроме того мы поставляем законченные блоки любой конфигурации, выполняем эксклюзивные заказы на нестандартные конструкции силовых сборок, в том числе с использованием нестандартных теплоотводов. По требованию заказчика силовые блоки могут поставляться с вентиляторами, снабберными элементами и изоляционными теплопроводящими (для СПП таблеточной конструкции)
элементами, датчиками тока и температуры, драйверами правления и пр. Есть возможность поставки тиристорных и симисторных сборок с опторазвязкой силовых и правляющих схем; комплектации защитных цепей низкоиндуктивными кремниевыми резисторами и симметричными высокоэффективными ограничителями напряжения собственного изготовления. Ряд применяемых в силовых блоках полупроводниковых приборов производства Электровыпрямитель< включает в себя мощные диоды,
тиристоры, триаки, IGBT-компоненты и другие СПП на токи в диапазоне от 10 до 6300 А, напряжение от 200 до 6500 В. Предприятие производит также большую серию охлаждающих стройств, применяемых в силовых сборках, для всех типов выпускаемых СПП. Для приборов штыревой и таблеточной конструкций производятся воздушные и жидкостные теплоотводы с односторонним и двухсторонним способами охлаждения (всего 57 типов), с системами прижима и контроля силий сжатия,
крепежом, шинами и прочими аксессуарами. Максимальная мощность рассеивания,
достигнутая на теплоотводах воздушного и жидкостного охлаждения, составляет соответственно 2,0 и 5,5 кВт. Один из вариантов конструкции силовых блоков с применением мощных таблеточных тиристоров типа Т163-1-42 и охладителей типа ДЖИЦ 432275.014 [1] показан на рис.1. Он представляет собой силовую сборку, состоящую их двух автономных субблоков с воздушным принудительным охлаждением. В данной конструкции реализован однофазный ключ переменного тока на действующий ток 1400
А, напряжение 3500 В. Силовые блоки оснащаются R-C-цепями для обеспечения надежного включения тиристоров и защиты от перенапряжений. С помощью этих блоков легко собирается соответствующий многофазный ключ с теми же выходными параметрами,
который может быть использован, например, в компенсаторах реактивной мощности.
На основе этих же блоков можно собрать любую другую из перечисленных выше стандартных силовых схем, к примеру, мощный правляемый трехфазный выпрямительный мост для электропривода постоянного тока прокатного стана или для других применений. Достаточно просто решается конструкция силового блока на основе плоских водяных охладителей разработки Электровыпрямитель< и мощных таблеточных СПП, где все элементы схемы собраны в единый блок с общим прижимным стройством. Варьируя количество СПП и охладителей, их пространственное расположение относительно друг друга, можно реализовать практически все стандартные силовые схемы вшироком диапазоне мощностей - от высоковольтных диодных или тиристорных столбов до многофазных схем выпрямления и ключей переменного тока. На рис. 2
представлен один из таких блоков, выполненный по схеме однофазного моста, с применением жидкостных теплоотводов ДЖИЦ
432281.011-01 [1] и тиристоров Т173-4-10, рассчитанный на выходные токи до А. При необходимости приборы могут быть электрически изолированы от охлаждающих устройств с помощью выпускаемых предприятием изоляционных теплопроводящих элементов. Весьма перспективными силовыми блоками в диапазоне преобразуемых мощностей от 5 до 400
кВт являются диодно-тиристорные сборки на основе беспотенциальных модулей [1]. Электровыпрямитель выпускает сегодня большую серию силовых энерготермоциклостойких диодно-тиристорных модулей прижимной конструкции с шириной медного основания 20, 34, 50, 60 и 70 мм; специально для этой серии были разработаны высокоэффективные охлаждающие стройства, в том числе предусматривающие групповое размещение модулей. Конструкция таких охлаждающих устройств зависит от электрической схемы и мощности силового блока, типа и количества применяемых модулей. На рис. 3
показан силовой блок трехфазного регулируемого выпрямителя на ток 246 А,
напряжение 0,4 кВ, с применением трех двухключевых тиристорных модулей типа МТ-160 и нового охладителя типа
055, который по эффективности теплосъема и габаритно-присоединительным размерам полностью соответствует аналогичным теплоотводам,
выпускаемых фирмами Fischer, Semikron,
Eupec. Оптимальная длина охладителя для каждого конкретного случая рассчитывается с использованием трехмерного моделирования распределения тепла в силовом блоке (рис. 4) при заданных заказчиком режиме токовой нагрузки и словиях охлаждения модулей. На каждом блоке станавливаются термореле и снабберные цепи. Блоки такой конструкции предназначены для стройств плавного пуска и правления скоростью вращения электродвигателей постоянного тока, регуляторов температуры и освещенности, электросварки, индукционного нагрева, гальваники, источников бесперебойного питания. Особенности конструкции блоков: компактные, легкие, беспотенциальный охладитель, высокая плотность мощности на единицу объема, высокая надежность при работе в тяжелых режимах циклических нагрузок. Если общая токовая нагрузка превышает допустимый отвод тепла от элементов схемы, то на одном охладителе монтируется плечо схемы, все силовое стройство компактно размещается на общей несущей плите. Этот случай представлен на рис.5, где изображен силовой блок реверсивного трехфазного тиристорного моста для мощного тягового электропривода постоянного тока. Здесь используются
12 тиристорных модулей типа МТ-630-12 и моноплиты, аналогичные охладителю 055. Основные технические характеристики и параметры силового блока реверсивного моста представлены в таблице. Таблица Наименование параметра Величина Питающая сеть: Выходные параметры: Габариты, мм 450x600x300 Масса, кг 45 Охлаждение принудительное Режим работы продолжительный На предприятии проводится разработка эффективных воздушных охладителей в виде моноплит шириной 260 мм и более для сложных и мощных преобразовательных стройств, силовые блоки которых также включают в себя
(помимо схемы выпрямления) IGBT-инверторы. Датчики тока и напряжения фирмы LEM (Швейцария). Предлагаем вашему вниманию продукцию Швейцарского производителя датчиков тока и напряжения.
Датчики тока Преобразователи тока Прямого Компенса<- Компенса<- Компенса<- Гибкие, Диапазон 0 - 18 A 0 - 15 A 0 -150 A 0 - 600 A 0 - 60 A Частотный диапазон 0 -25 кГц 0 - 200 кГц 0 - 250/500 0 - 100 кГц Гц - 100 кГц Точность при 25'C 1% 0,5% 0,1% 2ppm 1% Нелинейность 0,5% 0,1% 0,05% 1ppm 0,05% Время отклика <3 - 7 мкС< <1 мкС< 0,3-0,4 мкС< 0,3 мкС< <50 мкС< Рабочая -50...+ 70
-25...+ 85
-25...+70
-10...+50
-10...+50
Датчики напряжения Преобразователи
напряжения Компенсационного Компенсационные, Диапазон 0 -9500 B 0 - 2 B Частотный диапазон несколько кГц 0 - 400/700 кГц Точность при 25'C 1% 0,2% Нелинейность 1% 0,05% Время отклика 10...100 мкС< 0,6 мкС< Рабочая -50...+ 70
-50...+ 70
Выбор датчиков связан как с техническими, так и с экономическими предпосылками. Поэтому должны быть приняты во внимание все аспекты их применения. Среди технических параметров особое внимание нужно делить следующим: <
Электрические воздействия <
Механические воздействия <
Температурные воздействия <
Условия эксплуатации На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков. При более сложных словиях применения датчика необходимо честь такие факторы, как: <
Внешние магнитные воздействия <
Электромагнитные помехи <
Крутизна фронта импульсов <
Специальные требования по электрическойа прочности <
Совместимость с существующими стандартами Ограничительные диоды (супрессоры) Диоды TRANSIL
специально предназначенны для подавления перенапряжений возникающих припереходных процессах (
в наименовании диода используется чать слова,
происходящего от английского слова transient -
переходный). Основновной областью применения является защита от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защита мощных мощных транзисторов и теристорови т д . Диоды изготавливаются как в однонапрвленом, так и в двунаправленном исполнеиях. Однонаправленное исполнение применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, поэтому приборы TRANSIL
данного типа должны включаться в контур с четом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL данного типа должны включатьсмя в контур с четом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей. Двунаправленный диод TRANSIL может быть сотавлен из двух однонаправленных диодов TRANSIL
путем их встречного последовательного включения. В отличии от варисторов, которые так же используются для подавления перенапряжений, диоды
TRANSIL являются значительно более быстродействующими. Время срабатывания диодов TRANSIL составляет несколько пикосекунд. Двунаправленые диоды TRANSIL всегда включаются параллельно защищаемому оборудованию.
Сопротивление Rs представляет собой сумму всех сопротивлений, начиная от источника помех и заканчивая защищаемым оборудованием. Величина этого сопротивления влияет на выбор диода TRANSIL,
поскольку нон ограничивает максимальный ток вызванный волной перенапряжения. Изготовитель утверждает, что на практике при возникновении импульса перенапряжения всегда происходит ограничение, причем вероятность возникновения сбоя слишком мала.
Само собой разумеется, что в цепь необходимо включить предохранители на случай, если в следствии малого инпеданса ожидается появление больших перенапряжений. Хотя диод TRANSIL всегда осуществляет ограничение, в слечае контура с малым Rs диод может полностью сгореть. Своиства диодов TRANSIL определяются следующими параметрами: Vrm - пиковое обратное напряжение (Peak Reverse Voltage) - максимальное рабочее напряжение, при котором протекающий в течении длятельного времени ток не вызывает выхода защищаемого компонента из строя. Vbr - пробивное напряжение (Break-down Voltage)
- напряжение при котором происходит резкое величение протекающего тока, причем скорость величения тока превышает скорость величения напряжения. Величина напряжения обычно кказывается для температуры 25
Vcl - напряжение фиксации(Clamping Voltage)
- максимальное напряжение для так называемого "нормальзованного<"
максимального импульса пикового тока Ipp. Внешний вид
"нормализованного" импульса приведен на рис. 3.Характеристика тока является экспоненциальной. В таблице приведены параметры для двух стандартных форм импульса тока. Ipp - пиковый импульсный ток (Peak Puls Current) -пиковый ток в рабочем режиме. Vf<- прямоенапряжение ( Forward Voltage) -
напряжение в прямом направлении. Аналогично обычным диодам оно составляет 0,7
В. If - прямой ток ( Forward Current) - максимальный пиковый ток в прямом направлении. Воздействие t1, мкс t2, мкс Волна " 8/20 мкс" 8 20 Волна "10/100 мкс" 10 1 Исследованиями было становленно, что во многих стройствах возникают перенапряжения, вызывающие импульсы тока, временная характеристика которых составляет примерно 10/1 мкс (возрастание /убывание) в соответствии с экспонинциальной кривой. В спецификациях обычно приводятся данные для подобного типа переходных процессов. казанные в спецификации потери для непереодических импульсов определяются по следующей формуле: Pp=Vcl*Ipp.
Потери для переодических импульсов таковы: Pav=f*W, где f<- частота следования импульсов, W-энерги каждого импульса. Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжении составляет 25
нс. Такое время для некоторого оборудования может оказаться недостаточным.
Теоретическая скорость срабатывания диодов TRANSIL на импульс находится в области пикосекунд. Изготовитель тверждает, что в лабораторных словиях трудно создать такой переходный импульс, на который диод TRANSIL срабатывал бы с опозданием, т. е. в его пиковой части. Моделируемое время нарастания фронта всегда находилось в пределах 5 нс - на практике это время может составлять несколько пикосекунд. в данном случае необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что может оказаться заманчивым использовать диоды TRANSIL в качестве быстродействующих выпрямительных приборов. Однако диоды TRANSIL вобще нельзя использовать в данных целях, поскольку они имеют большой остаточный заряд и длительнное время рассасывания. Оба изготовителя выпускают большое разнообразие защитных диодов, рассчитаных на различные значения напряжения Vvr или Vbr, причем используется небольшой шаг дискретизации по номинальному напряжению. Однако обычно не все диоды являются доступными,
поскольку на практике не играет роли, используете ли Вы диод, рассчитанный на напряжение, например, 33 В или 37 В. Вследствии этого изготовитель предлагает в каждом классе некоторые предпочтительные значения.
Остальные значения носят информационный характер, изготовитель осуществляет их производство только в гиперколичествах. Важнейшими источниками перенапряжений в автомобилях являются строиства,
содержащие индуктивности: генератор переменнго тока,
свечи зажигания, стартер, реле и т.п. Самым сильным источником помех является система зажигания, величина перенапряжений откоторой может достигать 300 В. вследствии этого в автомобилях широко применяется защита с помощью диодов TRANSIL. Для автомобильного радио-приемника достаточно включить один диод TRANSIL, в этом случае не надо беспокоится о выходе из строя его электронных компонентов. Подобные затраты всегда оправдываются. Вданном случае справедливо следующее правило: аккумулятор вследствии малого внутреннего сопротивления является наилучшим поглотителем перенапряжений.Поэтому лучше всего электропитание отдельных стройств перенести к месту как можно ближе к его зажимам. Фирма SGS-Thomson производитдлязащиты оборудования автомобилей специальные типы защитных диодов - LD24AS, LD24M. Их отличие от диодов обычногоприменения заключается в мощной металлической конструкции. Диоды имеют полупроводниковый кристалл больших размеров и выдерживают большую температуру. Это, однако, не означает, чтов автомобиле нельзя использовать обычные диоды TRANSIL. Диоды TRANSIL добно использовать для защиты биополярных и МОП-транзисторов. Диоды TRANSIL можно использовать для защиты как правляющего электрода МОП-транзисторов,
так и самого перехода. В данном случае всегда следует учитывать характер импульсов перенапряжения - однократные или переодические. В настоящее время диоды TRANSIL широко применяются для защиты оборудования, подключенного к сетевому распределителю. За счет небольшого вложения средств представляется возможность защититьдорогостоящее оборудование. Одним из основных источников перенапряжений в таких сетях являются атмосферные помехи. Применение диодов TRANSIL является особенно полезным для защиты объектов, подключенных к воздушным линиям. Для этих целей обычно применяют двунаправленные диоды TRANSIL, в часности 1.5KE440CA
или P6E440CA. Защита линий передач данных - важная область применения диодов TRANSIL. Разработанны наборы диодов TRANSIL, которые могут применяться как для защиты TTL-схем параллельного ввода/вывода, в частности, ТРВ220, так и для линий последователь ной передачи, например, сетевых карт ESDA6V1S3 фирмы SGS-Thomson. Диоды TIRISIL
предназначены для защиты электронного оборудования от перенапряжений главным образом в области телекоммуникаций. Диоды разработанные фирмой SGS-Thomson в 1983 году и изготавливаются исключительно этой фирмой. Вольтамперная характеристика диодов TRISIL напоминает характеристику компонентов DIAK. Диоды TRISIL
выпускаются только в двунаправленном направлении и подключаются параллельно защищаемому оборудованию. В рабочем состоянии через диод TRISIL протекает незначительный ток. Припревышении определенного (порогового) значения напряжения, импеданс диода скачкообразно изменяется и происходит ограничение напряжения. Работа на этом частке волтамперной характеристики сходна с работой двунаправленного диода TRANSIL. При дальнейшем незначительном величении тока происходит резкое снижение импеданса до десятков Ом, что практически закорачивает цепь, тем самым
"срезая" полезную часть импульса перенапряжения. Vrm - максимальное непрерывное рабочее напряжение, при котором ток, проходящий через компонент, не вызывает повреждений. Для данного напряжения в спецификации казывается соответствующий ток Irm. Vbr - пробивное напряжение ( Breakdown Voltage)
- напряжение при котором происходит резкое величение проходящего через TRISIL
тока, причем скорость изменения тока выше, чем скорость нарастания напряжения.
Этому напряжению соответствует ток Ibr=1мА. Vbo - напряжение опрокидывания (Breakover Voltage).
В точке Vво происходит резкое изменение импеданса от большого неопределенного значения до нескольких от большого неопределенного значения до нескольких Ом. В спецификации для данного напряжения казан ток Iво. Iн <- при падении тока ниже данного значения происходит обратное величение импеданса диода TRISIL. Ipp - предельное значение тока для определения формы импульса - относительно10/1 мкс,
экспоненциальная форма. Электрические схемы трамвайных вагонов и троллейбусов предусматривают использование нагревательных элементов для поддержания заданной температуры в кабине водителя и салоне в зимний период.
Мощность отопительных систем может достигать 8кВт для кабины водителя и 12-для салона. Столь значительная мощность отопителя кабины водителя учитывает возможность наступления сильных морозов, и избыточна для оттепелей. Необходимость регулирования мощности обогревателей очевидна. В салоне на температуру влияют помимо всего прочего частые открывания дверей, изменение количества пассажиров и т.д. Приемлемым способом стабилизации температуры является циклическое включение нагревателей по сигналу датчика температуры; исполнительным элементом, осуществляющим подключение нагревателей к напряжению контактной сети является в существующей практике электромеханические контакторы. Поскольку речь идет о коммутации токов 10-20
Ампер при напряжении постоянного тока до 900 Вольт - к коммутирующему аппарату предъявляются жесткие требования по электрической износоустойчивости. учитывая принципиально большое количество циклов включения в системах регулирования температуры, подходящим к этому случаю, были бы твердотельные реле - электронные переключатели. Все известные реле, однако, рассчитаны на применение в цепях переменного тока, где коммутация (при помощи тиристора) происходит легко при переходе через ноль тока в нагрузке; коммутаторы цепей постоянного тока известны по применениям в автомобильной, низковольтной электронике и совершенно не пригодны для коммутации цепей постоянного тока электротранспортных средств.
Отдельные предприятия изготавливают ключи постоянного тока, но это вовсе не массовые внедрения, скорее эпизоды, пробы. Эти пробы дают сильно различающиеся ценовые показатели, которые отчасти связаны с принятыми схемотехническими решениями, отчасти с местом и словиями производства.
Относительная новизна темы и желание наладить поставки конкурентоспособных с электромеханическими контакторами" твердотельных" изделий привели к разработке изделий под названием ЕВРО (электронный выключатель регулятора отопления). Ниже представлены основные технические характеристики Максимальное значение напряжения, которое
блокирует электронный ключ, В 1 Максимальный ток нагрузки, А 20 Допустимое значение импульса перенапряжения, которое не приводит
к выходу из строя изделия, В 3 Наличие защиты: - по перегреву + + Индикация: --- "Перегрев" + + + Электрическая прочность токоведущих частей
относительно корпуса, В (время приложения испытательного напряжения 1 мин.) 3750 Диапазон температуры, град С -40 до +10 Масса, кг 2 Конструктивное исполнение IP54 ТЕСТИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ДИОДОВ Давайте рассмотрим, как происходит подготовка к тестированию мощных диодов на основе простого переносного оборудования. Измерение характеристик этих приборов создает определенные трудности, если не используется необходимая аппаратура. Измерительное оборудование Одним из лучших способов измерения этих приборов является развертка, тока и напряжения на подходящем дисплее. Используя развертку, можно определить, исправен прибор или нет,
измерением пробивных напряжений, токов течки, прямого напряжения и т. д.
Однако индикатор развертки типа Тектроникс 576
является дорогостоящей частью оборудования, которое используется почти неограниченно для мощных приборов. Таким образом, многие компании не располагают ресурсами, необходимыми для приобретения этого комплекта оборудования. Теперь представим дилемму
- как измерить эти приборы без использования характериографа.
Возможно ли использование омметра или мегомметра? Для чрезвычайно ограниченных случаев - да, для исследования глубинных процессов в приборах - нет. В частности, если прибор полностью закорочен, тогда этот тест будет работать. Однако, если прибор закорочен не полностью, полученные результаты сомнительны вследствие малых тестовых токов и /или напряжений. Это может вести к ошибкам или неверному заключению, так как годные приборы могут иметь измеренное сопротивление с изменением в 3-4 раза или даже иметь показатели разомкнутой схемы. Часты случаи отбраковки годных приборов из-за применения этих недостоверных методов. Дефектные приборы могут держать напряжение вплоть до 10В, затем отказывают до достижения рабочего напряжения. В качестве альтернативы применения омметра или мегомметра может быть собрана простая схема, позволяющая ограниченное тестирование мощных приборов на годность. Настоящая заметка представляет три простых схемы для тестирования этих приборов: от исключительно простой до слегка сложненной. Тестирование При тестировании тиристоров два параметра являются критериями работоспособности прибора: IGT
- постоянный ток затвора, необходимый для запуска тиристора, IH -
ток держания, необходимый для проводимости тиристора, как только он будет запущен. При комнатной температуре для большинства современных тиристоров, IGT менее 150мА, a IH - менее 500мА. В случае сомнения полистайте, пожалуйста, справочные данные тиристора для веренности в том, что тестовая схема обеспечивает необходимые токи нагрузки и правления. Первая схема, показанная на первом рисунке, является простой 6-вольтовой осветительной батарейкой,
приспособленной для измерения работоспособности тиристора. Это чрезвычайно добная тестовая схема для применения в полевых словиях. В частности, тиристор соединен последовательно с лампой и батареей с моментальным переключением,
обеспечивающим импульс на затворе, необходимый для запуска тиристора. Тестовая схема втором рисунке предназначена для тестирования диодов. Две лампы накаливания соединены в виде нагрузок, они являются и индикаторами. Если диод не исправен и не способен выдерживать обратное напряжение, обе лампы будут гореть, казывая на отказ диода. Наоборот, левая лампа будет гореть при полном функционировании диода. Для работы пригодна любая 1В лампа, в качестве D1 и D2 могут использоваться любые диоды. Эта схема имеет ограничения за счет малых тестовых токов и напряжений. Наконец, на третьем рисунке представлена более сложная тестовая схема: Выпрямленное напряжение подается на тестируемый прибор (тиристор или диод), для веренности двуполюсный сдвоенный переключатель выбирает прямое или обратное включение. Обратный тест подтверждает, что тиристор или диод находятся под обратным напряжением. Если в течение этого теста лампы горят, то измеряемый прибор не держит обратного напряжения и не исправен. Эта схема более сложная,
чем две предыдущих, но обеспечивает лучшие результаты, так как в ней используется более высокое напряжение для измерения характеристик. Прямой тест используется только для тиристоров путем тестирования по затвору тиристора. Лампа не должна светиться вплоть до момента переключения, во время которого лампа должна вспыхнуть. Лампа будет гаснуть, как только переключение закончится. Корпус Для сверхбольших ровней мощности можно порекомендовать корпус типа Hockey PuK. Это очень добный, с низким тепловым сопротивлением корпус, в котором контакт обеспечивается внешним давлением с фиксатором. Попытки измерить характеристики этого корпуса без правильного размещения в фиксаторе приводят к ошибочным замерам (подобно открытой схеме), так как при этом не обеспечивается необходимое контактирование. Заключение Применяя схемные идеи,
изложенные здесь, можно определить работоспособность мощных приборов. Не требуется применение омметра или мегомметра. К тому же вышеприведенные тесты обеспечивают более надежную информацию по функционированию этих приборов,
так как только с помощью характериографа могут быть получены приемлемые результаты. Схема с контрольной лампой (рис. 1) идеальна для быстрого контроля на качественном ровне вследствие ее простоты. Схема на рис. 3 в наибольшей степени пригодна для лабораторий, которые часто тестируют тиристоры и диоды, но не имеют средств на характериограф. Заключение Список литературы Полупроводниковые диоды.
Параметры. Методы измерений, М., 1968; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, М.,
1970; Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д.,
Полупроводниковые приборы, М., 1973; F.Wakeman, K.Billett,
R.Irons и M.Evans,
СElectromechanical characteristics of a bondless pressure contact IGBTТ AP EC 1 Мартыненко В.
А., Чумаков Г. Д. Новые вынсокомощные диоды и тиристоры для пронмышленности, транспорта и энергетики // Силовая электроника. 2005. № 1. Ю.С. Забродин Промышленная электроника http://<. домен сайта скрыт/?v=products&s=articles&nn=6 Журнал силовая лектронника, № 2, 2006 .Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, НА. Пихтин, СО. Слипченко, З.Н. Соколова, Н.В. Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 11 Валерий Масленников, Валентин Мартыненко,
Станислав Толкачев, Рафаэль Биктиев, Геннадий Чумаков Компоненты и технологии2, № Т2005 Мартыненко В. А., Чумаков Г. Д.
Новые высокомощные диоды и тиристоры для промышленности, транспорта и энергетики //Силовая электроника. 2005. № 1. Электровыпрямитель.
Силовые блоки // HiT Разработки в электронике. 2004.
№ 4. . К. Хрулев, В. П.
Черепанов (1) Диоды и их зарубежные аналоги. а У.С.Иванов Компоненты силовой электроники 2006г, Москва Н. Н.
ГОРЮНОВА, Ю. Р. НОСОВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды. ПАРАМЕТРЫ,
мЕТОДЫ иЗМЕРЕНИЙ, СОВЕТСКОЕ РАДИО МОСКВАЧ1968
а 
Измеренная картина дальнего поля в плоскости, пернпендикулярной рЧ^-переходу,
также свидетельствует о генерации нулевой оптической моды. Величина Sсоставляет 3Ч40
локомотива (см. рис.5).
В
A
Ic<=Ic
Дж
Дж
I
A
мксек
Rthjs
5200
4500
5200
2500
2500
5200
5200
2500
2500
2500
160
250
250
360
500
650
900
1200
1500
1500
320
400
520
720
1
1300
1800
2400
3
3
4.1
4.5
4.5
3.6
3.3
5.1
4.6
3.75
3.5
3.4
0.4
0.72
0.64
0.75
0.8
1.7
2.1
2.5
3.1
3.3
0.33
0.84
0.53
0.34
0.5
1.4
1.9
1.4
2.0
1.7
4.3
нет
нет
2.5
нет
4.1
нет
3
нет
400
нет
нет
250
нет
1600
нет
670
нет
0.25
нет
нет
0.93
нет
нет
нет
340
нет
нет
285
нет
1400
нет
830
нет
125
125
125
125
125
125
125
125
125
125
0.056
0.042
0.042
0.054
0.0386
0.016
0.012
0.0169
0.0136
0.0132
0.092
нет
нет
0.073
нет
0.039
нет 0.0292
нет
нет
74*26
74*26
74*26
74*26
112*26
112*26
112*26
112*26
112*26
Рис. 1. Силовой блок однофазного ключа переменного тока
Рис. 2. Пример применения плоских жидкостных охладителей ДЖИЦ 432281.011-01 с тиристорами Т173-4 при реализации силового блока по схеме однофазного выпрямительного моста
Рис. 3. Силовой блок трехфазного выпрямительного моста
Рис. 4. Пример пространственного распределения температуры в силовом блоке трехфазного выпрямительного моста при мощности потерь в модуле 200 Вт и естественном охлаждении
Рис. 5. Силовой блок реверсивного трехфазного тиристорного моста
Номинальное напряжение (линейное), В
Частота, Гц
Число фаз
380
50
3 + нейтраль
Ток, А
Напряжение, В
Наличие реверса
900
0-400
имеется
Скорость потока воздуха, м/сек
6,0
Швейцарская фирма LEM выпускает более 1 типов датчиков тока и напряжения специального исполнения для применения в любых словиях индустриального производства, также широкий выбор измерительной аппаратуры, приборов и приспособлений, основанных на использовании эффекта Холла в электрических цепях.
Все новейшие разработки фирмы LEM незамедлительно предлагаются на отечественном рынке силовой электроники. В настоящее время - это серия никальных датчиков
LTS с однополярным питанием +В с номинальными токами 2-25 А, предназначенных для электронного преобразования постоянного, переменного, импульсного токов с гальванической развязкой между первичной и вторичной цепями. Миниатюрные датчики этой серии (9,3х22,2х24мм) обеспечивают точность преобразования 0,7% и полную линейность выходной характеристики в диапазоне частот от 0 до 200 кГц. В ближайшее время появятся датчики серии LTS на токи 6, 15 и 50 А.. Среди потребителей этой продукции - производители частотно-регулируемых приводов,
источников бесперебойного питания, скоростных локомотивов, комфортабельных железнодорожных вагонов и трамваев. Начинают использовать эту продукцию и в автомобильной промышленности.
Датчики тока и напряжения позволяют решить все проблемы в области силовой электроники, связанные с созданием систем обратной связи в электрооборудовании,
а также при измерении и контроле постоянного, переменного, импульсного напряжения и тока в широких пределах с высокой точностью. Датчики обеспечивают точную изолированную ОС в системах правления приводами постоянного и переменного тока, в преобразовательной технике.
Промышленные (стандартные) датчики тока перекрывают диапазон измерений от 0 до
1 А и могут применяться в робототехнике, системах электроснабжения,
промышленных приводах, сварочных машинах, электропечах, лазерной и медицинской технике, электро и радиосвязи и т.д.
Специальные датчики для транспортных средств (индекс /SP) применяются в системах контроля и правления приводами электропоездов, ж.д. локомотивов,
вагонов метро, трамваев, троллейбусов, в силовых агрегатах ветроэнергетических установок, миниГЭС и т.д. Датчики приспособлены к жестким словиям эксплуатации по температурному и механическому воздействию.
Множество моделей датчиков для преобразования тока или напряжения разделены на
5 больших групп:
силения
на эффекте
Холла
ционного типа
на эффекте
Холла
ционные,
типа С
ционные,
типа IT
для
переменного
тока
LEM-flex<
преобразования
кГц
температура
типа
на эффекте Холла
типа С
преобразования
температура
Пиковые потери в диодах TRANSIL
Сравнение защиты оборудования с помощю варисторов и диодов TRANSIL
Диоды TRANSIL фирмы SGS-THOMSON и диоды TVS фирмы GI
Защита электронных схем в автомобилях
Защита транзисторов
Защита сетевого распределительного стройства - сеть
220 В
Защита линий передач данных
Диоды TIRISIL
Описание функционирования диодов TRISIL
Основные параметры диодов TRISIL
-
по превышению тока
---
"Перегрузка по току"
---
"Работа"
Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды,
транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с
электронной или дырочной проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а
сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и
тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества
создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной
батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей,
переключателей и силителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой
позволила в десятки раз меньшить габариты и массу электронных стройств,
снизить потребляемую ими мощность и резко величить надежность. Силовая электроника - это новая отрасль человеческой деятельности, производятся все больше больших и сложных электротехнических объектов, функционирование которых не возможно без значительных энергетических затрат. А, значит, промышленная электроника должна обеспечивать эти технические средства надежными приборами защити, в том числе и против пробоев и загораний. Именнодля этих целей и нужно внедрять новые технологии изготовления и правления сверх мощными диодами.
Применение: