Конструкции тиристоров
Силовые тиристоры выполняются штыревой и таблеточной конструкции так же, как и силовые диоды. Для защиты р-n-p-n-структуры от поверхностного пробоя используются фаски. Одноступенчатая фаска (рис. 7.13) для эмиттерного перехода J1 обратная, а для коллекторного J2 – прямая. В этом случае эмиттерный переход значительно лучше защищен от пробоя обратным напряжением, чем коллекторный от пробоя прямым напряжением. Поэтому одноступенчатая фаска применяется для относительно низковольтных тиристоров (на напряжение примерно до 1200 В). Для высоковольтных тиристоров, как правило, применяются двухступенчатые фаски (рис. 7.13, б). При этом угол α1 принимается равным 30° + 45°, а угол α2 ≈ 1,5° + 4°. Такая фаска используется для тиристоров напряжением примерно до 4 кВ. Для тиристоров на более высокие напряжения предложены фаски в форме "ласточкиного хвоста" (рис. 7.13, в) и V-образные (рис. 7.13, г).
Основным достоинством фасок формы "ласточкин хвост" и V-образных является меньшая их ширина lф, что позволяет получить большую активную поверхность структуры при заданном диаметре кремния. При диаметрах кремниевых структур до 16 мм их напаивают на вольфрамовые или молибденовые диски. Структуры диаметром более 16 мм со стороны анодного слоя сплавляются с термокомпенсатором (алюминиевая или силуминовая фольга) и собираются в корпусе c прижимными контактами к катодным слоям (рис. 7.14). Тиристорная структура 1 сплавлена с термокомпенсатором 2. ухступенчатая фаска защищена компаундом 3. Катодные поверхности и вывод управляющего электрода от базы р2 металлизированы алюминием 4.
Полупроводниковые элементы силовых тиристоров монтируются в герметичные корпуса различных конструкций: штыревые с паяными прижимными контактами и таблеточные. Отличия корпусов тиристоров от корпусов диодов состоят в том, что элементы их имеют дополнительные отверстия для управляющих электродов.
а б
в г
Рис 7.13. Фаски p-n-p-n-структуры тиристора: а – одноступенчатая;
б – двухступенчатая; в – "ласточкин хвост"; г – V-образная
Рис. 7.14. Тиристорный элемент со сплавным термокомпенсатором
Рассмотрим типичную конструкцию корпуса штыревого тиристора с паяными контактами и боковым расположением управляющего электрода (рис. 7.15, а).
К основанию 1 припаивается тиристорный элемент 2. К основанию 1 приварено стальное кольцо 3, к которому сваркой прикрепляется коваровая втулка 4. Управляющий электрод имеет внутренний вывод 5, который посредством коваровой втулки 6 выводится наружу, где заканчивается наконечником 7. С помощью коваровой втулки 5 с наконечником 9 через стеклянный изолятор 10 внутренним выводом 11 выводится катод тиристора. Основание заканчивается шпилькой 12 для крепления тиристора в охладителе. Через нее выводится анод тиристора.
а б
Рис 7.15. Тиристор штыревой конструкции с паяными (а)
и прижимными (б) контактами
В тиристоре с прижимными контактами (рис. 7.15, б) тиристорный элемент с односторонним термокомпенсатором 1 помещается на медном основании 2. К основанию припаян стальной стакан 3. Крышка корпуса состоит из стальной манжеты 4 и керамического изолятора 5. Внутренний вывод управляющего электрода 6 с помощью коваровой втулки 7, наконечника 8 соединяется с гибким внешним выводом 9. Наконечник 10 катода с помощью внешнего силового гибкого вывода 11, нижний конец которого 12 вставлен в трубку 13 и обжат, соединяется внутренним основным выводом катода 14. Этот вывод имеет отверстие сложной конфигурации, через которое проходит внутренний управляющий вывод. Манжетой 15 тарельчатые пружины 16 прижимаются к изолятору 17, обеспечивая необходимое усилие в прижимных контактах. С помощью пружины 18 через изолятор создается усилие нажатия на полусферический наконечник 19 внутреннего вывода управляющего электрода. Такая конструкция наиболее часто применяется при диаметрах структур от 16 до 32 мм.
Размеры тиристоров штыревой конструкции в зависимости от типа тиристора изменяются в следующих пределах: I – от 20 до 45 мм с жестким выводом и от 70 до 110 мм с гибким выводом; N – от 11 до 18 мм; D – от 12 до 45 мм; Е (размер под ключ, на рис. 7.15 не показан) – от 11 до 41 мм; W – от М 5 до М 24.
В таблеточном тиристоре (рис. 7.16) тиристорный элемент 1 расположен между медными основаниями 2 и 3. Между тиристорным элементом и основаниями устанавливаются прокладки из отожженного серебра толщиной 100-200 мкм (на рис. 7.16 не показаны). Манжета 4 высокотемпературным припоем припаяна к керамическому изолятору 5 и к нижнему основанию 2. Манжета 6 также высокотемпературным припоем припаяна к изолятору. Гибкая кольцевая мембрана 7 припаивается к верхнему основанию 3. Кольцо 8 из изоляционного материала центрирует тиристорный элемент и серебряные прокладки относительно основания 2.
Управляющий электрод 9 с полусферическим наконечником размещен в выемке верхнего основания, изолирован изолятором 10 и прижимается к контактной поверхности полупроводниковой структуры пружиной 11. Другим концом внутренний управляющий электрод 9 входит в трубку 12 керамического изолятора и сплющивается в этой трубке. К трубке припаивается наконечник 13, к которому крепится гибкий наружный вывод управляющего электрода 14. Если в тиристорной структуре применяется разветвленный управляющий электрод, то гальваническая развязка между катодным основанием и управляющим электродом обеспечивается воздушным зазором высотой примерно 15-20 мкм или серебряной прокладкой, конфигурация которой совпадает с конфигурацией катодного эмиттера тиристорной структуры.
Рис 7.16. Тиристор таблеточной конструкции
Необходимый прижимной контакт между тиристорным элементом и основаниями обеспечивается прижимным усилием от 8 до 24 кН при установке таблетки в охладитель.
Размеры таблеточных тиристоров в зависимости от типа изменяются в следующих пределах: А – от 19 до 26 мм, D – от 60 до 100 мм, D1 – от 30 до 50 мм.
Библиографический список
1. Бурков А.Т. Электроника: физические основы, полупроводниковые приборы и устройства: Учебное пособие / А. Т. Бурков. СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1999. 290 с.
2. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. Т. Бурков. М.: Транспорт, 1999. 464 с.
3. Лачин В. И. Электроника: Учебное пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савелов. Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2005 (2004). 704 (576) с.
4. Миловзоров О. В. Электроника: Учебник для вузов / О. В. Миловзоров, И. Г. Панков. 2-е изд., перераб. М.: Высшая школа, 2005. 288 с.
5. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П. А. Воронин. М.: Изд. дом «Додэка-ХХI», 2001. 384 с.
6. Прянишников В. А. Электроника: Полный курс лекций / В. А. Прянишников. СПб: «КОРОНА принт», 2004. 416 с.
7. Жеребцов И. П. Основы электроники / И. П. Жеребцов. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 352 с.
8. Засорин С. Н. Электронная и преобразовательная техника: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / С. Н. Засорин, В. А. Мицкевич, К. Г. Кучма. М.: Транспорт, 1981. 319 с.
9. Вайсбурд Ф. И. Электронные приборы и усилители: Учебник для техникумов / Ф. И. Вайсбурд, Г. А. Панаев, Б. Н. Савельев. М.: Радио и связь, 1987. 472 с.
10. Зорохович А. Е. Основы электроники для локомотивных бригад / А. Е. Зорохович, С. С. Крылов. М.: Транспорт, 1983 (1992). 224 с.
11. Основы промышленной электроники: Учебник для вузов / В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский и др.; Под ред. В. Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1986. 336 с.
12. Чебовский О. Г. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. М.: Энергоатомиздат, 1985. 400 с.
13. Бервинов В. И. Электроника и микропроцессорная техника на подвижном составе / В. И. Бервинов. М.: Транспорт, 1997. 216 с.
14. Диоды: Справочник / О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев и др. М.: Радио и связь, 1990. 336 с.
15. Тиристоры: Справочник / О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев и др. М.: Радио и связь, 1990. 336 с.
16. Хазен М. М. Исследование теплового сопротивления охладителей на базе тепловых труб для силовых полупроводниковых приборов / М. М. Хазен, Н. П. Красова // Развитие систем тягового электроснабжения: Сб. науч. тр. / ВНИИЖТ. М., 1991. С. 91 – 99.
17. Литовченко В. В. Современные силовые управляемые полупроводниковые приборы / В. В. Литовченко, О. Б. Баранцев, А. Е. Чекмарев // Локомотив. 1998. № 10. С. 24 – 28.