Курсовой проект ТЭ
.doc
1,06 В
1,1В
1,3В
1,5В
1,6В
1,8В
1,9В
2,1В
2,2В
2,4В
2,5В
Результаты расчета сведены в таблицу 6.
Таблица 6 - Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора
-
jпр, А/см2
U, В
20
0,9
50
1,06
100
1,1
200
1,3
300
1,5
400
1,6
500
1,8
600
1,9
700
2,1
800
2,2
900
2,4
1000
2,5
Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора имеет вид, приведенный на рисунке 7.
Рисунок 7 - Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора
Рассчитываем радиальный размер фаски. Для защиты p-n-p-n структур силовых тиристоров от поверхностного пробоя используют фаски.
Для тиристоров используется, как правило, двухступенчатая фаска
(рисунок 8). Угол 1- выбирается в пределах (30 – 45) о, а угол 2, определяющий стойкость к поверхностному пробою коллекторного перехода, в пределах
(1,5 – 4) о. Такая фаска широко используется для тиристоров с напряжением переключения до 4000 В. Радиальный размер фаски определяется как:
Lф = 3exp(0,00018Uзс.п)-2 [мм].
Рисунок 8 - Двухступенчатая фаска в тиристорах
Lф = 3exp(0,00018·600)-2 = 1,1 (мм).
Определяем коэффициент, учитывающий потери активной площади за счет технологической шунтировки перехода j3. Катодные шунты обычно имеют круглую форму и располагаются по площади эмиттера в виде регулярной системы с квадратным или треугольным расположением (рисунок 9).
а – квадратное расположение; б – треугольное расположение
Рисунок 9 - Расположение шунтов катодного эмиттера
Наличие эмиттерных шунтов приводит к потери общей площади эмиттера, а, следовательно, и нагрузочного тока.
Коэффициент, учитывающий потери активной площади за счет технологической шунтировки перехода j3:
при расположении шунтов по вершинам квадратов:
,
при расположении шунтов по вершинам треугольников:
.
При треугольном распределении диаметр шунта больше, чем при квадратном, что позволяет легче реализовать данную форму, а также шунты находятся на большем расстоянии друг от друга, что способствует меньшему влиянию шунтирования на скорость распространения проводящей плазмы.
Выбираем расположении шунтов по вершинам треугольников:
Задаёмся различными значениями диаметра выпрямительного элемента dвэ и расcчитываем активную площадь структуры тиристора:
,
где Sу – площадь, занимаемая управляющим электродом.
Значения dвэ тиристоров стандартизованы и берутся из ряда чисел: 6, 8, 10, 13, 16, 18, 20, 24, 32, 40, 50, 56, 65, 80, 100, 125, 160, 200 мм. Кроме того, допускаются, но не рекомендуются 22, 25, 27 и 30 мм. При диаметрах выпрямительного элемента менее 18 мм площадь, занимаемая управляющим электродом, имеет величину от 0,05 до 0,1 см2; при диаметрах от 18 до 40 мм - 0,2 см2; от 40 до 60 мм – 0,5 см2; при диаметрах более 60 мм площадь управляющего электрода не менее 1 см2. Результаты расчета сводим в таблицу 7.
Вычисляем плотность тока через структуру при прямом токе, равном 2,5 Iос.ср, и разных значениях dвэ:
.
Зная плотности тока, по графику зависимости напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора (рисунок 7) определяем значение прямого напряжения и рассчитываем среднюю мощность прямых потерь Рос.ср. для разных значениях dвэ:
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)
Результаты расчета сведем в таблицу 7. Затем строим график зависимости Pос.ср.(dвэ) (рисунок 10).
Наряду с графиком зависимости Pос.ср.(dвэ) рассчитываем графики зависимости мощности, рассеиваемой корпусом тиристора штыревой и таблеточной конструкции при заданных значениях максимально допустимой температуры структуры и температуры корпуса, и строим их на графике Pос.ср.(dвэ) (см. рисунок 10):
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к),
где Тпер. - температура перехода;
Ткор. - температура корпуса;
R т(п-к) – тепловое сопротивление переход-корпус.
1)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·2,12=1060Вт
2)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·1,85=925Вт
3)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·1,68=840Вт
4)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·1,58=790Вт
5)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·1,5=750Вт
6)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·1,42=710Вт
7)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·1,33 =665Вт
8)
Pос.ср. = Iос.ср.Uпр(jпр.)= 500·1,27=635Вт
Таблица 7 - Средняя мощность прямых потерь Рос.ср. для разных
значенииях dвэ
dвэ, см |
Sак, см2 |
j*пр, А/см2 |
Uпр, В |
Рос.ср, Вт |
1,8 |
1,7 |
735 |
2,12 |
1060 |
2,0 |
2,2 |
568 |
1,85 |
925 |
2,2 |
2,8 |
446 |
1,68 |
840 |
2,4 |
3,46 |
361 |
1,58 |
790 |
2,6 |
4,16 |
300 |
1,5 |
750 |
2,8 |
4,9 |
255 |
1,42 |
710 |
3,0 |
2,75 |
217 |
1,33 |
665 |
3,2 |
6,64 |
188 |
1,27 |
635 |
1 – средняя мощность прямых потерь в открытом состоянии; 2 - мощность, рассеиваемая корпусом тиристора штыревой конструкции; 3 - мощность, рассеиваемая корпусом тиристора таблеточной конструкции; 4 – заданная мощность, рассеиваемая корпусом
Рисунок 10- Зависимость мощности тиристора от диаметра выпрямительного элемента
где Тпер. - температура перехода;
Ткор. - температура корпуса;
R т(п-к) – тепловое сопротивление переход-корпус.
Для построения графика зависимости можно пользоваться приближенными значениями тепловых сопротивлений переход-корпус тиристоров, приведенными в таблице 8.
Таблица 8 - Значения тепловых сопротивлений переход-корпус тиристоров
Диаметр выпрямительного элемента, dвэ, мм |
|
||
Штыревой корпус |
Таблеточный корпус |
||
паяные контакты |
прижимные контакты |
||
6 |
2,3 |
- |
- |
8 |
1,4 |
- |
- |
10 |
1,2 |
- |
- |
13 |
0,7 |
0,4 |
- |
16 |
0,4 |
- |
- |
18 |
- |
0,26 |
- |
20 |
- |
- |
0,11 |
24 |
- |
0,16 |
0,08 |
32 |
- |
0,1 |
0,055 |
40 |
- |
|
0,04 |
50 |
- |
|
0,03 |
56 |
- |
|
0,025 |
65 |
- |
|
0,02 |
80 |
- |
|
0,015 |
Если нет специальных ограничений, значение максимально допустимых температур переходов тиристоров Тпер устанавливают в зависимости от их повторяющихся импульсных обратных напряжений Uзс.п. Значения температур корпусов, при которых устанавливаются предельные токи тиристоров, также зависят от Uзс.п. Обычно если Uзс.п не более 1600 В температура перехода 190 оС, а температура корпуса 125 оС. Результаты расчета приведены в таблице 9.
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к),
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к)= (190-125)/0,26=250 Вт
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к)= (190-125)/0,11=591 Вт
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к)= (190-125)/0,16=406 Вт
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к)= (190-125)/0,08=812 Вт
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к)= (190-125)/0,1=650 Вт
Pрас. = (Tпер – Tкор)/Rт(п-к)= (190-125)/0,055=1182 Вт
Таблица 9 - Мощность, рассеиваемая корпусом тиристора
Диаметр выпрямительного элемента, dвэ, мм |
|
|
Штыревой корпус |
Таблеточный корпус |
|
18 |
250 |
- |
20 |
- |
590 |
24 |
406 |
812 |
32 |
650 |
1182 |
Диаметр выпрямительного элемента выбирают так, чтобы мощность, рассеиваемая корпусом той или иной конструкции Ррас, была не менее Рос.ср, но и не более Ррас≤ 1700 Вт, заданной в задании. При выборе dвэ исходят также из минимальных затрат материала. Диаметр выпрямительного элемента должен быть из стандартного ряда. В рассматриваемом примере dвэ = 2,3 см. Для выбранного диаметра выпрямительного элемента вычисляют активную площадь структуры тиристора. Здесь же выбирают тип конструкции корпуса тиристора.
=
Выбираем таблеточную конструкцию корпуса.
1.5 Расчет основных параметров тиристоров
1. Импульсное напряжение в открытом состоянии Uос.и определяют следующим образом. При выбранном dвэ и известном Sакт. рассчитываем плотность прямого тока, соответствующую току Iос.ср: jос.max= (Ioc.cp)/Sакт. Затем по зависимости jпр(Uпр) (см. рисунок 7) определяем Uос.и= f (jос.max).
jос.max= (Ioc.cp)/Sакт
jос.max= (3,14· 500)/3,13 = 501,6 А/м2,
Uос.и= f (501,6) = 1,75 В.
2. Повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии:
,
где ni и pn1 соответствуют температуре 125 оС, pn1 Т3/2, а Wо и n1 – анодному напряжению равному Uзс,п.
Толщина слоя объемного заряда Wо = Wоn1 + Wоp2, причем Won1 и Wоp2 вычисляются при Uзс = Uзс,п. Коэффициент переноса дырок через базу n1 также определяется при Uзс, = Uзс,п., используя формулы :
(мкм);
мкм
Wо = 40+19,8 = 59,8 мкм;
мкм;
;
(А).
3. Ударные токи в открытом состоянии. Из практики известно, что плотность ударного тока в открытом состоянии jос.удар меняется от 1,5 кА/см2 при WSi = 400 мкм до 1 кА/см2 при WSi = 800 мкм. Находим jос.удар, соответствующее рассчитанной по формуле (10) толщине кремниевой пластины, а затем
Iос.уд. = jос.уд.Sакт.
WSi = 490 мкм, jос.удар = 1,4 кА/см2, Iос.уд. = 1,4·.3,13 = 4,4 кА.
4. Время включения приближенно равно среднему геометрическому времени диффузии в n1 (t1) и p2 (t2) областях:
,
где и вычисляются при температуре 20 оС.
с;
с;
с.
5. Время выключения. Расчет времени выключения проводится при максимально допустимой температуре структуры 125 оС по следующей формуле:
,
где Q(t1) – избыточный заряд дырок в базе n1 в момент времени t1,
;
Qкр. – критический заряд включения тиристора;
Qнак. – избыточный заряд неравновесных носителей, накопленный в базах,
;
Qj1 – заряд обедненной области перехода j1 при обратном напряжении, прикладываемом к тиристору в процессе выключения,
Скорость спада тока в открытом состоянии принимается для отечественных тиристоров =200 А/мкс. Для отечественных тиристоров
= 100 В/мкс. Uобр – обратное напряжение, прикладываемое к тиристору в процессе выключения, для отечественных тиристоров Uобр = 100 В.
Won(Uобр) и pn1 вычисляются при Uзс = Uобр
49,3 (мкм)
(мкс)
151,9·10Кл/м2;
Qкр = 268·10-9 Кл/см2;
мкс.
Заключение
Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.
Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления, температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duA/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.
Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.
Полученные расчеты дают нам данные о поведении тиристора; его будущих размерах, при создании; возможностях тиристора; направлении сферы применения в заданных условиях и др. Все это позволяет производить моделирование тиристора и производить тестирование на практике, если ему будет найдено место.
Список литературы:
-
Тейлор П. Расчет и проектирование тиристоров: Пер. с англ.- М.:
Энергоатомиздат, 1990, 208с.
-
Шеховцов В. П. Расчет и проектирование схем электроснабжения.
Методическое пособие для курсового проектирования. – М.: ФОРУМ:
ИНФРА-М, 2005, 214 с. (Проф. изд.)
-
Елисеев В., Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В. Современные
отечественные полупроводниковые приборы. Ж.: Электроника, 2008.
-
Герлах В. Тиристоры. М.: Энергоатомиздат, 1985, 328 с.
-
Евсеев Ю. А. Силовые полупроводниковые приборы: учебник для
техникумов/ Ю. А. Евсеев, П. Г. Дерменжи. М.: Энергоиздат, 1981, 472 с.
6. Евсеев Ю.А Силовые полупроводниковые приборы: учебник для техникумов
Ю.А. Евсеев, П.Г. Дерменжи. М.: Энергоиздат, 1981. 472 с.
7. Крутякова М.Г. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования:
учебник для техникумов / М.Г.Крутякова, Н.А. Чарыков, В.В. Юдин. М.:
Радио и связь, 1983. 352 с.
8. Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры:
справочник / В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. М.: Радио и
связь, 1988. 576 с.
9. Маслов А.А. Электронные полупроводниковые приборы. М.: изд-во
«Энергия», 1967. 367 с.