2. Полупроводниковые приборы, применяемые в преобразователях.
2.1. Диоды, тиристоры.
Элементную базу статических преобразователей составляют силовые полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры и транзисторы), которые имеют высокий кпд, превышающий 98%, и малую относительную массу - меньше 0,1 кг/кВт. Полупроводниковые приборы современного исполнения, в особенности кремниевые, имеют высокую надежность.
Силовые полупроводниковые приборы принято делить на две основные группы: неуправляемые (диоды) и управляемые (тиристоры, транзисторы). Управляемые вентили подразделяются на два класса: с неполным и полным управлением.
К группе неуправляемых полупроводниковых силовых приборов относятся неуправляемые вентили. Основой вентилей является двухслойная монокристаллическая полупроводниковая структура с одним p-n-переходом. Конструктивно структура выполняется в виде диска диаметром 20 мм и более, толщиной 0,35 мм. Полупроводниковые структуры выполняются с простой либо ступенчатой геометрией p-n-перехода.
К диску полупроводниковой структуры с обеих сторон припаиваются более толстые вольфрамовые или молибденовые термокомпенсаторы, имеющие приблизительно такой же коэффициент линейного расширения, как и полупроводники. Диск полупроводниковой структуры выполняется с фаской, поверхность которой для повышения напряжения перекрытия защищается специальным компаундом.
Такой «слоеный бисквитик» представляет собой вентильный элемент, который помещается в специальный корпус с внешними выводами - электродами: анодом и катодом. Корпус может исполняться в виде штыревой или таблеточной конструкции. В вентилях штыревого исполнения (рис. 99, а) вентильный элемент 2 припаивается к медному основанию 1, которое имеет винт для закрепления на охладителе. Этот винт одновременно является одним из внешних выводов. К основанию крепится металлический корпус 3. С другой стороны к вентильному элементу припаивается внутренний гибкий вывод 4, который через колпачок и переходную втулку соединяется со вторым внешним выводом 6, выполненным в виде гибкого шунта с наконечником для присоединения к схеме. Для изоляции корпуса от гибкого вывода применяется стеклянный изолятор 5.
В вентилях таблеточного исполнения вентильный элемент 2 помещается в керамический корпус 3, который закрывается с обеих сторон крышками 1 и 5 специальной формы из тонколистовой меди. Вентильный элемент электрически связан с одной из крышек внутренним медным выводом 4. Крышки герметически свариваются с керамическим корпусом. Форма крышки, выполненной в виде фигурной мембраны, позволяет компенсировать механические и термические напряжения, возникающие за счет разброса линейных размеров и различия в коэффициентах теплового расширения материалов сочленяемых деталей. Между всеми контактирующими поверхностями внутри прибора помещены серебряные прокладки, значительно улучшающие контактные тепловые сопротивления.
Таблетка вентиля помещается между двумя половинками охладителя и зажимается в осевом направлении. Таблеточная конструкция позволяет осуществить двусторонний отвод тепла, выделяемого в структуре, что обеспечивает лучшие характеристики теплопередачи и способствует за счет более интенсивного теплоотвода повышению допустимого тока нагрузки примерно на 60%. Прижимные контакты между выпрямительным элементом, электродами и охладителями позволяют устранить недостатки вентилей штыревой конструкции, связанные с температурной усталостью паяных контактов.
Благодаря этим преимуществам вентили таблеточного исполнения являются предпочтительными для преобразователей подвижного состава, имеющих большую неравномерность токовой нагрузки, а, следовательно, и неравномерный температурный режим вентилей.
В тяговых преобразователях охладители своими ребрами размещаются в струе охлаждающего воздуха. Усиление обдува позволяет повысить значение длительно допустимого тока вентилей. Рациональная скорость воздушного охлаждения вентилей - 10 - 12 м/с. Возможны также и другие способы охлаждения вентилей: жидкостный и испарительный.
Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход их из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле прямого напряжения, т. е. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток через себя. Переход вентиля из состояния «включено» в состояние «выключено» (запирание вентиля и прекращение протекания через него прямого тока) возможен только при смене полярности напряжения на вентиле (обратное напряжение) по силовой цепи. Таким образом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включить воздействием по цепи управления, но невозможно выключить воздействием по цепи управления, требуется сменить полярность напряжения на вентиле на обратную.
Главными представителями неполностью управляемых вентилей являются тиристоры - кремниевые трехэлектродные приборы, в основу которых положена четырехслойная монокристаллическая структура типа p-n-p-n.
Конструктивно тиристоры оформляются, подобно неуправляемым вентилям, в штыревом и таблеточном исполнении. Отличительной особенностью тиристоров является лишь наличие управляющего электрода.
Кроме рассмотренных выше однонаправленных однооперационных тиристоров, разработаны двунаправленные однооперационные тиристоры (симисторы), в основу которых положена пятислойная полупроводниковая структура. Симисторы при соответствующем управлении могут открываться как в прямом, так и в обратном направлении. Симисторы в ряде схем могут заменить два встречно-параллельно включенных тиристора.