книги / Силовые полупроводниковые приборы
..pdfго элемента относительно оснований корпуса. В основаниях имеются углубления 9 под штифты, фиксирующие положение таблетки относи тельно поверхностей охлаждающих устройств, на которые монтирует ся тиристор.
На рис. 2.10 показана конструкция тиристора Т160 с выпрямитель ным элементом, припаянным к анодному и катодному выводам. Вы прямительный элемент вначале напаивается на медное основание 1, служащее анодом тиристора. К верхнему термокомпенсатору выпря мительного элемента припаивается чашечка 2, в которую впаивается внутренний гибкий вывод 3, соединенный внутри стальной втулки
свнешним гибким силовым выводом 4. К управляющему р-п переходу выпрямительного элемента припаивается внутренний управляющий электрод 5, соединенный через изолированную стальную втулку 6 с на конечником управляющего электрода 7. В медном основании имеется кольцевая выточка, в которую перед установкой корпуса 8 помещается фторопластовая прокладка 9, 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
снарезным болтом 10, служащим для соединения прибора с охлажда ющим устройством»
Кроме рассмотренных конструкций силовых полупроводниковых приборов штыревого и таблеточного исполнения, получивших наи большее распространение, применяются также корпуса с плоским ос нованием и под запрессовку. Корпуса с плоским основанием приме няются 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 при бора к охладителю с помощью болтов.
Конструкция корпуса под запрессовку применяется для автотрак торных диодов. Основание корпуса имеет форму медного стаканчика
снаружной насечкой, к которому сверху припаяно стальное коль
цо диаметром, большим диаметра стаканчика. Запрессовка такого прибора производится давлением на выступающую часть стального кольца.
21
Т160
Рве. 2.11. Конструкции тиристора Т500 в сборе с охладителем ОА-031
Наибольшую сложность представляет сборка с охладителями при боров таблеточной конструкции. В качестве примера на рис. 2.11 при ведена конструкция тиристора Т500 в сборе с охладителем ОА-031. Тиристор 1 крепится между двумя охладителями 2 и 3 с помощью болтов 4 И 5. Болты изолированы ОТ г» ля п и т е л я и ч о п и р у ю щ и м и втулками 6 и 7. Требуемое усилие сжатия обеспечивается траверсой'З-из за каленной стали. Для обеспечения равномерного давления на контакт ные поверхности тиристора усилие^ежатия от траверсы на охладители передается через изолятор с полусферическими выступами, помещен ный между траверсой и охладителем 2. Контроль усилия сжатия осуществляется по прогибу траверсы с помощью специальных индика торов.
Электрические потери, 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;
22
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 кото рого 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 инструк циями заводов-изготовителей.
Большое значение при сборке приборов с охладителями имеет соблюдение их соосности. Кроме того, недопустимо применять в ка честве прокладок материалы, создающие в контактных соединениях пары, приводящие к быстрой коррозии. И то, и другое приводит к уве личению тепловых сопротивлений, что ухудшает нагрузочную способ ность приборов.
Следует помнить, что для обеспечения эффективности принуди тельного охлаждения охладители систем воздушного охлаждения должны монтироваться таким образом, чтобы их ребра были парал лельны направлению воздушного потока. При применении охладите лей систем водяного охлаждения должны быть учтены требования к качеству воды (удельное электрическое сопротивление не должно влиять на перераспределение напряжения между участками электричес кой схемы преобразователя).
Р А З Д Е Л 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, кото рое определяет либо предельную способность, либо предельное усло вие, за пределами которых прибор может быть поврежден.
23
Предельная способность и предельные условия могут быть мак симальными и минимальными, при этом им соответствуют максималь но допустимые значения и минимально допустимые значения. Пре дельно допустимые значения устанавливают на основе опыта, испыта ний или расчетов.
Характеризующий параметр —значение электрической, тепловой или механической величины, которое характеризует соответствующее свойство прибора. Характеризующие параметры являются непосредст венно или косвенно измеряемыми величинами.
3.2.ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Вотличие от ранее действовавших нормативно-технических доку ментов в настоящих стандартах все параметры приборов обозначают ся буквами латинского алфавита [13]. При этом система обозначений основана на следующих основных правилах:
1.Основные буквы. Импульсные значения, средние значения, пос тоянные значения и действующие значения обозначаются прописными буквами. Мгновенные значения изменяющихся во времени величин обозначаются строчными буквами
2.Индексы обозначаются в основном прописными буквами. Исключение составляет обозначение предельных значений т (макси мально допустимое значение) или min (минимально допустимое значе ние), критических значений индексом crit и общих (суммарных) значе
ний индексом tot, а также строчные индексы в соответствии со следующим перечнем:
А —вывод анода
АV, (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
(OV) —соответствует перегрузке Q —запирающий
R, г —обратное направление, в качестве второй буквы — повторяющийся, соответствует восстановлению
24
RMS, (RMS) —действующее значение
S —короткозамкнутая цепь; в качестве второй буквы — неповторяющийся
Т —открытое состояние (относится к тиристору), в ка честве второй буквы —отпирающий
(ТО) —пороговый W —рабочий
Строчными буквами обозначаются индексы:
сот —коммутационный d - задержка
/- с п а д
г—нарастание
s—запаздывание
t—включение
Пример применения буквенных обозначений приведен на рис. 3.1, где: i j - мгновенное значение; I T A V ~ среднее значение; ITRMS —действующее значение; IJRM ~ повторяющееся импульсное значение.
Г |
|\ГТЙМ |
f \ |
г" т |
|
|
ГТЛУ |
TTRMS |
|
t
Рис. 3.1, Пример применения буквенных обозначений (примой ток тиристора как функция времени)
3.Применяются буквенные обозначения для: токов I, i, напряже ний U, и, мощности Р, р, температуры Т, времени t, теплового сопро тивления R, переходного теплового сопротивления Z.
4.Используются индексы, относящиеся к температуре: а —окружа
ющая среда, с —корпус, j —переход.
5. Для обозначения тепловых сопротивлений и переходных тепло вых сопротивлений основными буквами являются соответственно R и Z. Частичным индексом для R является th (R,h), для Z —(th)t(Z (,hj,).
Термины определения и буквенные обозначения параметров сило вых полупроводниковых приборов, используемые в справочнике, при ведены в табл. 3.1—3.6, охладителей —в табл. 3.7, где определения терминов даны в соответствии с [13, 28], а наименования и буквенные обозначения приведены как для новой, так и для прежней систем, при чем для прежней системы обозначений они приведены в скобках.
25
Таблица 3 1 Термины по теиловым характеристикам (общие дли всех типов приборов)
Термин
Эффективная эквива лентная температура пе рехода (температура структуры)
Температура корпуса
Температура окружаю щей среды1
Тепловое сопротивле ние переход — среда (структура - среда)
Тепловое сопротивление переход - корпус (струк тура —корпус)
Переходное тепловое сопротивление переход — среда (структура-среда)
Переходное тепловое сопротивление переход — корпус (структура —кор пус)
Обозначение
Tj(T„)
Тс (Гк)
Гв (Г*)
Rfhja (Ат. ст —х)
fyhjc (Ат. ст —к)
Z( (h)tja (гт, ст —х)
tjc (гт, ст —к)
Определение
Теоретическая температура, основанная на упрощенном представлении тепловых и элек трических свойств прибора
Температура в заданной внеш ней контрольной точке на (или в) корпусе прибора(на габаритных чертежах контрольная точка обозначается m2)
Температура в заданной внеш ней контрольной точке в^ ох лаждающей прибор или его охладитель среде
Отношение разности темпера туры перехода и температуры окружающей среды к мощности потерь в приборе в устано вившемся режиме
Отношение разности темпера туры перехода и температуры корпуса к мощности потерь в приборе в установившемся ре жиме
Отношение изменения разно сти в конце интервала времени между температурой перехода и температурой окружающей среды к скачкообразному изме нению мощности потерь в на чале того же интервала време ни, вызывающему изменение температуры
Отношение изменения разно сти в конце интервала времени между температурой перехода и температурой корпуса к скачкообразному изменению мощности потерь в начале того же интервала, вызывающему изменение температуры
1 В справочнике принято, что термин «окружающий» эквивалентен термину «охлаждающий», т е имеется в виду, что охлаждающей средой является среда, в которой расположен охлаждаемый прибор (для приборов с жидкостным охлаждением —жидкость, циркулирующая в охладителе).
26
|
Рис. 3.2. Вольт-амперная характеристика диода: |
|
||||
1 — прямая характеристика; 2 — обратная характеристика, 3 — область |
пробоя, |
|||||
4 —прямолинейная аппроксимация |
прямой характеристики, 5 —пороговое на |
|||||
|
пряжение UТО’ б — напряжение пробоя V(BR) |
|
||||
Рис. 3.3. Характеристика процесса обратного восстановления: |
|
|||||
ip(iy) —прямой ток диода |
(ток в открытом |
состоянии |
тнрнстора), iц — |
|||
обратный ток, IR R M “ импульсный ток обратного восстановления, |
—время |
|||||
обратного |
восстановления, |
ls —время запаздывания обратного напряжения, |
||||
Гу—время |
спада обратного |
тока, |
Qrr — заряд |
обратного |
восстановления, |
|
|
Qs —заряд запаздывания, Qy —остаточный заряд |
|
||||
|
Таблица 3 2 |
Термины для днодоя |
|
|
||
Термин
Анодное напряжение
Анодный ток
Вольт-амперная харак теристика
Прямое направление
Прямая характеристи
ка
Прямолинейная ап проксимация прямой ха рактеристики
Обратное направление
Обозначение
иА («а)
‘А (‘а)
Определение
Напряжение между выводами анода и катода1
Ток, протекающий через выво ды анода и катода
Функция, выражающая зави симость анодного тока от анод ного напряжения
Направление тока, в котором диод имеет наименьшее сопро тивление
Функция, выражающая зави симость прямого тока от пря мого напряжения (рис 3 2, об ласть Ыд > 0)
Аппроксимация прямой ха рактеристики с помощью пря мой линии, пересекающей эту характеристику в двух опре деленных точках (рис 3 2)
Направление тока, в котором диод имеет наибольшее сопро тивление
27
Термин |
Обозначение |
Обратная характери |
— |
стика |
|
Область пробоя |
|
Прямое напряжение (прямое падение напря жения)
Пороговое напряжение
Импульсное прямое на пряжение (прямое па дение напряжения)
Обратное напряжение
Напряжение пробоя (максимальное обратное напряжение)
Неповторяющееся им пульсное обратное напря жение (неповторяющееся напряжение)
Повторяющееся им пульсное обратное напряжение (повторяющееся напряжение)
Импульсное рабочее обратное напряжение (ра бочее напряжение)
Постоянное обратное напряжение
Прямой ток
о, с)
U(TO) ( ио)
У рм (и о, с)
UR {Vo6p)
U(BR)(Uo5pm)
URSU(Uн,п)
VRRMWn)
UR W M <.V P>
и R (Uпост)
*FOa, о, c)
Продолжение табл. 3.2
Определение
Функция, выражающая зави симость обратного тока от обратного напряжения (рис. 3.2, область иа < 0)
Участок обратной характе ристики, соответствующий на пряжению, большему напряже ния пробоя
Напряжение на выводах диода (анод А , катод К), обусловлен ное током в прямом направле нии
Значение прямого напряже ния, определяемое точкой пе ресечения линни прямолиней ной аппроксимации прямой ха рактеристики с осью напряже ния (рис. 3.2)
Мгновенное значение прямого напряжения, обусловленное пря мым током заданного значения (на габаритных чертежах конт рольные точки обозначаются ml)
Отрицательное анодное на пряжение
Обратное напряжение, при котором обратный ток через диод превышает заданное значе ние (см. рис. 3.2)
Наибольшее мгновенное зна чение любого неповторяющего ся обратного напряжения, при кладываемого к диоду
Наибольшее мгновенное зна чение обратного напряжения, включая все повторяющиеся, но исключая все неповторяющиеся напряжения
Наибольшее мгновенное зна чение обратного напряжения, исключая все повторяющиеся напряжения
Обратное напряжение с по стоянным значением
Ток через диод в направления меньшего сопротивления
28
Термин
Средний прямой ток
Действующий прямой ток
Прямой ток перегруз ки (ток рабочей пере грузки)
Ударный неповторяю щийся прямой ток (удар ный ток)
Защитный показатель
Обратный ток
Повторяющийся им пульсный обратный ток (обратный ток)
Ток обратного восста новления
Дифференциальное прямое сопротивление (динамическое сопротив ление)
Суммарная мощность потерь
Средняя мощность пря мых потерь
Ударная мощность об ратных потерь
Обозначение
IF A V VH, O,C)
1FRMS(/действ)
lF{OV)(Ip, п)
h sM (^удар)
(*обр)
IRRM (Л>бр)
h r ( - )
гА * д)
р т ( р д
pF(AV) Л ,о ,с)
PRSM(P обр)
Продолжение табл. 3.2
Определение
Значение прямого тока, усред ненного по всему периоду
П р и м е ч а н и е . Для макси мально допустимого среднего прямого тока применяется тер мин «предельный ток»
Действующее значение пря мого тока за весь период
Ток, который при постоян ном протекании вызвал бы пре вышение максимально допусти мой температуры перехода, но который ограничен во времени так, что эта температура не превышается
Ток, при протекании которого превышается максимально до пустимая температура перехода, но который, как предполагает ся, во время срока службы диода появляется редко с огра ниченным числом повторений и вызывается необычными про цессами в схеме (например, ава риями)
Значение временного интегра ла от квадрата ударного пря мого тока
Ток через диод при приложе нии обратного напряжения
Обратный ток, обусловлен ный повторяющимся импульс ным обратным напряжением
Обратный ток, протекающий во время обратного восстанов ления
Значение сопротивления, оп ределяемое по наклону линии прямолинейной аппроксимации прямой характеристики (рис. 3.2)
Сумма средних мощностей потерь
Произведение мгновенных значений прямого тока и пря мого напряжения, усредненное по всему периоду
Мощность потерь в диоде, если он в обратном направлении в области пробоя нагружается одиночными импульсами
29
Термин
Время обратного вос становления
Время запаздывания обратного напряжения
Время спада обратного тока
Заряд восстановления
Заряд запаздывания
Остаточный заряд
Обозначение
hr ('о, а)
*s (*з, о, н)
'/< ->
вгг(вв)
Qs (бз, о, н)
С /(->
Продолжение табл. 3.2
Определение
Интервал времени от момен та, когда ток проходит через нулевое значение, изменяя на правление с прямого на обрат ное, и до момента пересечения оси времени с прямой, проходя щей через две точки на кривой уменьшения обратного тока с ординатами 90 и 25 % его ампли туды (рис. 3.3)
Интервал времени между мо ментом, когда ток проходит через нулевое значение, изменяя направление с прямого на об ратное, н моментом, когда об ратный ток достигает ампли тудного значения (рис. 3.3)
Интервал времени между мо ментом, когда ток, изменив направление с прямого на об ратное, достигает амплитудного значения, и моментом оконча ния времени обратного восста новления (рис. 3.3)
Полный заряд, вытекающий из диода при переключения его с прямого тока на обратное смещение (рис. 3.3)
Заряд, вытекающий из диода за время запаздывания обрат ного напряжения (рис. 3.3)
Заряд, вытекающий из анода за время спада обратного тока (рнс. 3.3)
1 Напряжение называется положительным, если пртенциал анода больше потенциала катода, и отрицательным, если потенциал анода меньше потенциала катода.
Таблица 3.3. Термины для тиристоров
Термин |
Обозначение |
Определение |
Анодное напряжение |
«А («а) |
Напряжение между анодом |
|
|
и катодом |
30