1.2. Конструкция силовых полупроводниковых диодов

Рабочим элементом силового полупроводникового диода является вырезанная из монокристалла кремния тонкая пластина, в которой сформирован p-n переход. Чтобы при нагреве пластина не растрескалась, её серебряным припоем припаивают к термокомпенсирующим дискам из вольфрама или молибдена.

Основные этапы изготовления:

1. Монокристалл кремния с проводимостью n-типа разрезается на диски толщиной 0,4 мм.

2. На поверхность этого диска наносится раствор азотистого алюминия и борной кислоты и высушивается. Затем диск помещается в кварцевую ампулу и запекается в печи в течение 10 часов при t = 1300ºC. При этом алюминий и бор проникают в кремний и образуют слой p-типа. Глубина проникновения 100 мкм.

3. На обе стороны диска наносится слой никеля, который при нагреве до 600ºC спекается с кремнием и образует выводы.

4. К пластине полупроводника припаиваются термокомпенсирующие пластины.

5. Наносится защитное покрытие на боковую грань для предотвращения электрического пробоя по поверхности.

Толщина термокомпенсирующих пластин может быть до 3 мм. Вся получившаяся конструкция называется выпрямительный элемент, который для защиты от внешних воздействий помещается в герметичный корпус. Корпуса бывают штыревой и таблеточной конструкции (рис. 1.3).

а)	б)

Рис. 1.3. Конструктивное исполнение полупроводниковых диодов: а – штыревое с гибким выводом, б – таблеточное для токов от 400 до 2000 А

Силовые полупроводниковые диоды используются в схемах выпрямления переменного тока.

Основные параметры силовых полупроводниковых диодов:

1. Предельный ток I_п (I_FAVmax). Это максимально допустимое среднее за период значение тока, длительно протекающего через диод. Зависит от конструкции диода и от условий охлаждения, А.

2. Повторяющееся обратное напряжение U_п (U_RRM). Это максимально допустимое амплитудное значение обратного напряжения, В.

3. Ударный ток I_уд (I_FSM). Это амплитудное значение прямого тока длительностью 10 мс в аварийном режиме работы устройства, кА.

Дополнительные параметры силовых полупроводниковых диодов:

1. Пороговое напряжение U₀ (U_TO), В.

2. Прямое падение напряжения при протекании предельного тока U_пр (U_FM), В.

3. Максимальный обратный ток при приложении повторяющегося обратного напряжения I_обр._max (I_RRM), мА.

4. Дифференциальное сопротивление при прямом смещении R_д (r_T), мОм.

5. Заряд восстановления обратного сопротивления Q_в (Q_rr), мкКл.

6. Тепловое сопротивление «переход-корпус» R_п-к (R_thjc), ⁰С/Вт.

В скобках указано обозначение параметров, принятое в англоязычных источниках.

1.3. Силовые полупроводниковые тиристоры

В настоящее время наиболее распространенным полупроводниковым прибором в силовой электронике является тиристор. Это ключевой (открыт - закрыт) полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью и неполной управляемостью, открывающийся по сигналу на управляющем электроде и закрывающийся при изменении полярности напряжения во внешней цепи или уменьшении тока в цепи до нуля. Основой тиристора является четырёхслойная полупроводниковая структура с чередующимися слоями проводимости и тремя p-n переходами (I, II, III) (рис 1.4).

Рис. 1.4. Структура и подключение тиристора к внешним цепям

Тиристор имеет три вывода анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Если к аноду приложено положительное относительно катода напряжение, то переходы I и III открыты, а переход II закрыт. При подаче на управляющий электрод положительного относительно катода напряжения произойдет открытие перехода II, вследствие этого тиристор откроется.

Если к аноду приложено отрицательное относительно катода напряжение, то переходы I и III закрыты, а переход II открыт. В этом случае тиристор нельзя открыть подачей на управляющий электрод положительного относительно катода напряжения. Таким образом, тиристор, как и диод, обладает односторонней проводимостью.

Вольтамперная характеристика тиристора имеет на прямой ветви зависимость прямого напряжения открывания от величины тока управления (тока управляющего электрода) (рис. 1.5).

Р ис. 1.5. Вольтамперная характеристика тиристора

При токе управления, равном нулю, тиристор может открыться при большой величине прямого напряжения U_вкл. Однако такой режим работы нежелателен, поэтому в практических схемах применяют тиристоры, величина прямого напряжения самопроизвольного открывания которых больше любого возникающего в схеме напряжения. С ростом тока управления напряжение открывания уменьшается, и при некотором токе управления, называемым током спрямления I_{упр.спр}, напряжение открывания уменьшается настолько, что вольтамперная характеристика тиристора становится похожей на ВАХ диода (спрямляется).

Обратная ветвь вольтамперной характеристики тиристора напоминает обратную ветвь ВАХ диода. При увеличении обратного напряжения свыше максимально допустимого может произойти электрический пробой I и III переходов. Величина допустимого обратного напряжения примерно равна напряжению включения при токе управления, равном нулю. Существуют также лавинные тиристоры, способные кратковременно пропускать большую величину обратного тока без повреждения полупроводниковой структуры.

Корпуса тиристоров, также как корпуса диодов, бывают штыревой и таблеточной конструкции. Вывод управляющего электрода выполняется гибким проводом.

Силовые полупроводниковые тиристоры используются в схемах выпрямления переменного тока, в схемах инвертирования постоянного тока и в схемах импульсных регуляторов постоянного тока.

Основные параметры силовых полупроводниковых тиристоров аналогичны основным параметрам силовых полупроводниковых диодов:

1. Предельный ток I_п (I_FAVmax), А.

2. Повторяющееся обратное напряжение U_п (U_RRM), В.

3. Ударный ток I_уд (I_FSM), кА.

Дополнительные параметры силовых полупроводниковых тиристоров:

1. Пороговое напряжение U₀ (U_TO), В.

2. Прямое падение напряжения при протекании предельного тока U_пр (U_FM), В.

3. Максимальный обратный ток при приложении повторяющегося обратного напряжения I_обр._max (I_RRM), мА.

4. Дифференциальное сопротивление при прямом смещении R_д (r_T), мОм.

5. Заряд восстановления обратного сопротивления Q_в (Q_rr), мкКл.

6. Тепловое сопротивление «переход-корпус» R_п-к (R_thjc), ⁰С/Вт.

Также в дополнительные параметры для тиристоров включают:

7. Время включения тиристора t_вкл. Это время от момента подачи управляющего импульса до момента уменьшения напряжения на аноде тиристора до 10% от начального значения при работе на активную нагрузку.

8. Время выключения t_выкл. Это время от момента, когда прямой ток через тиристор становится равным нулю, до момента, когда тиристор снова будет способен выдерживать (не открываясь) прямое напряжение с определённой амплитудой и скоростью нарастания. Это время называют также временем восстановления запирающей способности тиристора.

9. Критическая скорость нарастания прямого напряжения . При превышении этой скорости тиристор самопроизвольно открывается.

10. Критическая скорость нарастания прямого тока в отрытом состоянии . Это наибольшая скорость нарастания прямого тока, которую тиристор может выдержать без повреждения.

11. Ток удержания в открытом состоянии I_уд. Это наименьший прямой ток, при котором тиристор остаётся открытым. Учитывается при определении минимального тока нагрузки схемы с тиристорами.

12. Прямой ток в закрытом состоянии I_зс.