Мощные силовые диоды

Вступление

Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «Полупроводниковый диод» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации Полупроводниковый диод соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных Полупроводниковый диод различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных Полупроводниковый диод выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы. Наиболее многочисленны Полупроводниковый диод, действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n-перехода). Если к р—n-переходу диода (рис. 1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область — течёт большой прямой ток (рис. 2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого Полупроводниковый диод. На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные Полупроводниковый диод, имеющие допустимый выпрямленный ток I_в до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*_оброт 20—30 в до 1—2 кв. Полупроводниковый диод аналогичного применения для слаботочных цепей имеют I_в< 0,1 а и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U*_o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу Полупроводниковый диод из строя. С целью повышения U*_обрдо нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных Полупроводниковый диод соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники) составляет > 10^-5—10^-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц). Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10^-7—10^-10 сек и создать быстродействующие импульсные Полупроводниковый диод, используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ. При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р—n-перехода — резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации U_cт. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с U_cт от 3—5 в до 100—150 в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность U_cт (до 1×10^-5— 5×10^-6 К^-1), — в качестве источников эталонного и опорного напряжений. В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство р—n-перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р—n-переходе (характеризующаяся временем 10^-9—10^-10 сек) обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде, вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь) генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150 Ггц. Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные Полупроводниковый диод и видеодетекторы, в большинстве которых р—n-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости С_в (рис. 3), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности L_k и ёмкости С_к и возможность монтажа диода в волноводных системах. При подаче на р—n-переход обратного смещения, не превышающего U*_обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость С_в зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧ колебаний, в варикапах и множительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих Полупроводниковый диод стремятся уменьшить величину сопротивления r_б (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости С_вот напряжения U_o6p. У р—n-перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (~ 10^-2 мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер (см. Туннельный эффект). На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах (например, мультивибраторах, триггерах), в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращенного диода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ колебаний. Их ВАХ (рис. 4) существенно отличаются от ВАХ других Полупроводниковый диод как наличием участка с «отрицательной проводимостью», ярко выраженной у туннельного диода, так и высокой проводимостью при нулевом напряжении. К полупроводниковый диод относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную р—n—р—n-структуру и называют динисторами (см. Тиристор), а также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без р—n-перехода — Ганна диоды. В Полупроводниковый диод используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник (см. Шотки эффект, Шотки диод) и р—i—n-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками р—n-перехода. Свойство р—i—n-структуры изменять свои электрические характеристики под действием излучения используют, в частности, в фотодиодах и детекторах ядерных излучений, устроенных т. о., что фотоны или ядерные частицы могут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к р—n-переходу, и изменять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации электронов и дырок, проявляющийся в свечении некоторых р—n-переходов при протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах. К Полупроводниковый диод могут быть отнесены также и полупроводниковые лазеры. Большинство Полупроводниковый диод изготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), которая позволяет одновременно получать до нескольких тысяч Полупроводниковый диод В качестве полупроводниковых материалов для Полупроводниковый диод применяют главным образом Si, а также Ge, Ga As

, Ga P и др., в качестве контактных материалов — Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для защиты кристалла полупроводникового диода его обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 5). В СССР для обозначения Полупроводниковый диод применяют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует используемый полупроводник, вторая — класс диода, цифры определяют порядковый номер типа, а последняя буква — его группу (например, ГД402А — германиевый универсальный диод; КС196Б — кремниевый стабилитрон). От своих электровакуумных аналогов, например кенотрона, газоразрядного стабилитрона, индикатора газоразрядного, Полупроводниковый диод отличаются значительно большими надёжностью и долговечностью, меньшими габаритами, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения. С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными Полупроводниковый диод диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах, где полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции устройства.
Выпрямительные диоды

В настоящее время, в качестве выпрямительных диодов используют твердотельные устройства, они характеризуются малыми габаритами, малым падением напряжения и высокой надежностью. Но во многих публикациях отмечалось, что усилитель, снабженный выпрямителем на твердотельных диодах, звучит хуже, чем этот же усилитель с выпрямителем на вакуумных диодах.

Одной из причин этого является возникновение высокочастотных колебаний с широким спектром во время процесса запирания диода при смене на нем полярности приложенного напряжения.

Упрощенно, не углубляясь в физику работы полупроводникового диода (процессы коммутации диодом тока весьма сложны), механизм возникновения помех объясняется протеканием через диод обратного тока и резким его прерыванием в момент запирания.

На рисунке 7 показана временная диаграмма тока, текущего через диод при его запирании.

При протекании через диод прямого тока (диод открыт) в области базы происходит накопление избыточных зарядов. По мере уменьшения разности потенциалов на выводах диода ток через него уменьшается и в точке А становится равным нулю. Но диод еще не заперся, и при смене полярности на его электродах через диод будет протекать реверсный ток, рассасывающий избыточный заряд в области базы, падение напряжения на диоде приблизительно равно прямому падению. Когда базовый заряд станет равным нулю, прямое напряжение на диоде резко изменяется на обратное. Этот момент запирания диода соответствует точке В на диаграмме. Как видно из диаграммы, процесс установления обратного сопротивления происходит очень быстро (~0.3 µS) и сопровождается прерыванием тока, что и вызывает возникновение паразитных колебаний.

Рисунок 1

Рисунок 2

Амплитуда реверсного тока существенно зависит от избыточного заряда базы, который, в свою очередь, зависит от величины прямого тока через диод и конструктивных параметров диода, связанных с площадью кристалла [2]. Поэтому, часто встречающаяся в литературе рекомендация использовать для выпрямителя мощные низкочастотные диоды совершенно справедлива и позволяет уменьшить паразитные колебания. Это происходит за счет снижения избыточного заряда базы, то есть снижения амплитуды реверсного тока и более медленного процесса восстановления обратного сопротивления. Однако, используя мощные, низкочастотные полупроводниковые диоды следует учитывать, что они имеют очень большую барьерную емкость, которая может, как уменьшить величину паразитных колебаний, так и привести к их возрастанию. Характер ее влияния зависит как от режима работы диода, так и от цепей, к которым он подключен.

Существует еще один способ демпфирования паразитных колебаний, очень часто использующийся в импульсных преобразователях. Это шунтирование диода демпфирующей RC цепью (рисунок 8), обеспечивающей подавление паразитных колебаний и их быстрое затухание. Точный расчет значений R и C довольно сложен, величина C, лежит в пределах 100 ÷ 10000 pF, R – 10 ÷ 100 Ом. Чем меньше величина выпрямленного напряжения, тем больше величина C и меньше R.

Для источников питания ламповых усилителей средней мощности в качестве выпрямительных диодов целесообразно использовать вакуумные диоды.

Их основным преимуществом является отсутствие эффекта протекания реверсного тока [4], что обеспечивает полное отсутствие паразитных колебаний в моменты коммутации тока. Высокое динамическое сопротивление вакуумного диода, которое часто определяется как его недостаток, в нашем случае, становится достоинством, так как эффективно демпфирует импульсы тока, потребляемого емкостным фильтром. Возможно, именно различием динамических сопротивлений можно объяснить некоторое различие в звучании усилителя с разными типами вакуумных диодов.

Если Вы используете твердотельные диоды, то при небольших выпрямленных токах и высоких напряжениях целесообразно включить последовательно с каждым из них активное сопротивление величиной 30 ÷ 100 Ом. Это не только уменьшит амплитуду импульса потребляемого тока, но и существенно улучшит режим коммутации диода, естественно ценой этому будет снижение КПД.

Еще одним достоинством вакуумного диода является очень маленькая (4 ÷ 6 pF) и практически независимая от обратного напряжения проходная емкость.

Также немаловажным фактором является плавное нарастание анодного напряжения при включении схемы.

Недавно появившиеся высоковольтные диоды на основе карбида кремния [5] обладают временем восстановления обратного сопротивления равным нулю, и по этому параметру сравнялись с вакуумными диодами. Возможно, это поставит точку в затянувшемся споре, какой тип лучше использовать в высоковольтных выпрямителях аудио аппаратуры, но пока нет какой- либо информации об использовании этого типа диодов в аудио аппаратуре и влиянии их на качество звука.

Пример научного исследования оптимизации и повышения мощности в одномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельного ограничения.

В предыдущем пункте было немного сказано о диодах, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельного ограничения. Группа ученных провела ислледование, сязаное с повышением качества работы этих диодов.

Экспериментально и аналитически исследованы возможности достижения максимальной оптической мощности излучения в одномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельного ограничения.

Показано, что основным требованием обеспечения одномодового режима работы в широком диапазоне токов накачки для лазерных диодов является точный выбор значений скачка эффективного показателя преломления An_L в плоскости, параллельной р-n переходу.

Методом МОС-гидридной эпитаксии разработана InGaAsP/InP-гетероструктура раздельного ограничения со ступенчатым волноводом с пороговой плотностью тока 180 А/см² и внутренним квантовым выходом стимулированного излучения 93-99%.

Проведена оптимизация мезаполосковой конструкции лазерного диода для разработанной InGaAsP/InP-ге-тероструктуры, с целью достижения максимальной оптической мощности в одномодовом режиме генерации.

Достигнута выходная непрерывная мощность излучения 185 мВт при одномодовом режиме работы лазерного диода с шириной мезаполоска W = 4.5 мкм (2 = 1480 нм), максимальная непрерывная мощность составила 300 мВт. Полуширина излучения параллельного дальнего поля возросла на 1° относительно порогового значения.

1.   Введение

В последнее время резко возрос интерес к мощным лазерным диодам, излучающим в диапазоне длин волн 1300-1600 нм в нулевой продольной оптической моде. В первую очередь это связано с их применением в волоконно-оптических линиях связи, в качестве источников накачки волоконно-оптических усилителей, легированных Er³⁺, и рамановских волоконных усилителей в диапазоне длин волн 1400-1500 нм [1]. Для таких применений лазерных диодов необходимы постоянная выходная рабочая мощность на уровне сотен милливатт, точная пиковая длина волны излучения, высокая излучательная эффективность лазерного диода и эффективность ввода в одномодовое оптическое волокно. Все эти требования необходимо учитывать в разработке одномодовых лазерных диодов.

До настоящего момента в мире лишь несколько компаний (Furukawa Electric, JDS-Uniphase, Princeton Lightwave) заявили о достижении более 300 мВт максимальной выходной оптической непрерывной мощности в одномодовом режиме [2–4]. При этом основным критерием одномодовости являлось сохранение полуширины и формы поля в дальней зоне излучения, начиная с порога генерации и выше. В связи с этим достижение значений максимальной выходной мощности одномодо-вого излучения в непрерывным режиме генерации более чем 300 мВт (комнатная температура) для лазерных диодов, излучающих в диапазоне длин волн 1.3-1.6 мкм, является актуальной задачей.

Цель данной работы состояла в исследовании, разработке и изготовлении мощных одномодовых лазеров на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетерострук-тур, излучающих в диапазоне длин волн 1300-1600 нм.

Разработка конструкции и изготовление одномодовых лазерных диодов, т.е. диодов, излучающих на нулевой поперечной оптической моде, представляет комплексную задачу. Для ее решения необходимо выполнение многих требований. Во-первых, это использование тщательно проработанного дизайна лазерной гетерострукту-ры, обеспечивающего минимальные значения внутренних оптических потерь (а_г), напряжения отсечки (U_c) и максимального внутреннего квантового выхода стимулированного излучения (д). Как показали наши предыдущие исследования [5,6], квантово-размерная двойная гетероструктура раздельного ограничения (КР РО ДГС) InGaAsP/InP является оптимальной для достижения максимальной оптической мощности излучения лазерного диода с одиночной апертурой (Я = 1.3 -1.6 мкм). Использование ступенчатого волновода в КР РО ДГС InGaAsP/InP позволяет достичь близких к 100% значений внутреннего квантового выхода стимулированного излучения. Это связано с уменьшением компоненты тока утечек электронов за порогом, обусловленной уходом носителей из области квантовой ямы к гетерогранице волновода с /-эмиттером [6,7].

КР двойные гетероструктуры раздельного ограничения InGaAsP/InP, схематическое изображение типичной зонной диаграммы которых приведено на рис. 1, изготавливались методом МОС-гидридной эпитаксии [8].

Рис. 1. Схематическая энергетическая зонная диаграмма квантово-размерной гетероструктуры раздельного ограничения InGaAsP/InP (сплошная линия), расчетные профили легирования для донорной примеси кремния (пунктирная) и акцепторной примеси цинка (штрих-пунктирная).

Гетероструктуры состояли из широкозонных, сильно легированных эмиттеров, роль которых играли слои п- и /?-InP; ступенчатого волновода, выполненного на основе четверных твердых растворов In-Ga-As-P (Е _w₁ = 1.03 эВ, Е _w₂ = 1.24 эВ) с общей толщиной 0.65 мкм; активной области, образованной двумя напряженными InGaAsP-квантовыми ямами (cIq_W — 65 A) с InGaAsP-барьерным слоем между ними (Е _ъ = 1.03 эВ, d_b = 200 A). В верхнем /?-InP-эмиттере выращивался стоп-слой InGaAsP толщиной 70 A, который служил для остановки химического травления гетероструктуры при изготовлении мезаполосковой конструкции лазерного диода.

Второй основной задачей для достижения режима работы лазерного диода на фундаментальной оптической моде является выбор его конструкции, обеспечивающей возможность формирования волновода в плоскости, параллельной р-^-переходу. Из всего многообразия конструкций лазерных диодов наиболее эффективными для достижения волноводного эффекта в горизонтальном направлении являются мезаполосковая конструкция и конструкция „зарощенная меза“ [2,3]. Мезаполосковая конструкция лазерного диода отличается своей надежностью, простотой изготовления и малыми дополнительными внутренними потерями, вносимыми при формировании мезаполоска [9]. Одно из преимуществ зарощен-ной конструкции — это возможность достижения сверхнизких пороговых токов и лучшие частотные характеристики [2]. Однако ее серьезным недостатком являются технологические трудности, связанные с практической реализацией [2]. Это в основном и предопределило наш выбор в пользу мезаполосковой конструкции.

Формирование горизонтального волновода в плоскости, параллельной р-/7-переходу лазерной гетероструктуры, достигается за счет создания скачка эффективного показателя преломления An_L между активной и пассивной областями мезаполоска. Для обеспечения од-номодового режима работы лазерного диода необходимо выбрать вполне определенное значение An_L. В мезаполосковой конструкции лазерного диода на основе КР РО ДГС An_L в основном зависит от следующих параметров: длины волны излучения (Я), ширины мезаполоскового контакта (W), глубины травления (Ah), толщины (D_w) и ширины запрещенной зоны (Е™) волноводных слоев. Концентрация свободных носителей в слоях гетероструктуры и реальная температура в области активного слоя также влияют на значение An_L.

Расчет профиля эффективного показателя преломления An_L в мезаполосковой конструкции лазерного диода на основе КР РО ДГС InGaAsP/InP выполнялся с помощью модели пассивного волновода [10]. В основании используемой модели лежит представление волноводных свойств в горизонтальном направлении через эффективные показатели преломления отдельно активной и пассивных областей лазера мезаполосковой конструкции. Расчет проводился для разных значений параметров Я, Е™, D_w и ДА гетероструктуры. Условия сохранения оптимальных значений параметров г\, a_tи U_c гетеро структуры также учитывались в расчетах. На рис. 2 приведена одна из полученных расчетных зависимостей ширины меза-полоска, соответствующей условию одномодовой отсечки, от величины перепада эффективного показателя преломления для выбранного дизайна лазерной гетеро структуры (Я = 1480 нм) (рис. 1).

Рис. 2. Расчетная зависимость ширины мезаполоска W от скачка эффективного показателя преломления Aw_eff, соответствующего условию отсечки первой моды.

На основании проведенных вычислений из выращенной гетероструктуры партия (КР 1439-1), зонная диаграмма которой приведена на рис. 1, были изготовлены гетеролазеры мезаполосковой конструкции со следующими параметрами: W = 4.5мкм и An_L = (3.8-4.5) • 10^-³.

Для формирования мезаполоска наносилась маска из фоторезиста, через которую проводилось химическое травление [11]. В процессе травления по обе стороны от мезаполоска вытравливались канавки, глубина которых определялась положением стоп-слоя, сформированного в процессе роста в p-InP-эмиттере.

Для достижения максимальной выходной мощности лазерного диода необходимо стремиться к увеличению ширины мезаполоска, что позволяет снизить плотность оптической мощности на выходном зеркале, а значит, повысить величину рабочего тока. Однако поскольку максимальная ширина мезаполоска W_m_ax одномодовых лазеров определяется также эффективностью ввода излучения в одномодовое волокно, верхний предел был выбран W_m_ax = 5мкм.

Рис. 3. Ватт-амперная характеристика в непрерывном режиме генерации с температурой теплоотвода 20^◦C во всем диапазоне токов накачки для лазерных диодов: a — партии КР1439-1 с длиной резонатора L = 1000 мкм, с естественными зеркалами на гранях резонатора; b — партии КР1439-2 с длиной резонатора L = 1500 мкм, с высокоотражающим (95%) и низкоотражающим (5%) покрытием на гранях резонатора.

2.   Экспериментальные результаты

Все изготовленные лазерные гетероструктуры меза-полосковой конструкции раскалывались на отдельные лазерные чипы с длиной резонатора L = 0.3-3мм, которые напаивались на медные теплоотводы полосковым контактом вниз с помощью индиевого припоя.

Типичная ватт-амперная характеристика при непрерывном режиме накачки лазерных диодов, изготовленных на основе гетероструктуры партии КР1439-1, изображена на рис. 3,a. Видно, что уже при достаточно малых плотностях тока накачки происходит срыв ватт-амперной характеристики. Важно отметить, что этот срыв генерации имеет обратимый характер гистерезис-ного типа и, естественно, не связан с катастрофической оптической деградацией зеркал. Наблюдаемый эффект объясняется тем, что результаты расчетов, приведенные на рис. 2, в полной мере не отражают всех процессов, происходящих в реальных приборах. Так, известно, что увеличение концентрации свободных носителей заряда понижает коэффициент преломления полупроводникового материала [12]. Таким образом, с увеличением тока инжекции вплоть до порогового значения I_th падает коэффициент преломления активной области за счет накопления инжектированных носителей в области квантовых ям до величины пороговых концентраций n_thи p_th. Дальнейшее увеличение тока накачки приводит к повышению концентрации свободных носителей в волноводных слоях, что вызвано как процессом инжекции, так и выбросом электронов из квантовой ямы в барьерные слои [7,13]. Суммарный вклад инжектированных носителей в пределе может привести к коллапсу встроенного волновода или образованию антиволновода [14]. Срыв генерации наблюдался нами практически у всех лазерных диодов, изготовленных из гетероструктур партии КР 1439-1. Зависимость значений плотности тока накачки, при которых происходил срыв генерации, от длины резонатора лазерного диода имеет сублинейный характер. Данный факт может быть связан с нелинейным характером поведения зависимости пороговой концентрации носителей заряда от суммарных потерь [15].

В связи с тем что кпд лазерного диода не 100%, часть мощности рассеивается в виде тепла, что ведет к повышению температуры рабочей области лазерного диода. Величина перегрева может достигать 60° C и больше для мощных полупроводниковых лазерных диодов, работающих на максимальных значениях плотностей токов накачки [5]. Такой сильный перегрев активной области заметно влияет на значения коэффициентов преломления слоев, расположенных в прокачиваемой области лазерного диода. Известно, что повышение температуры увеличивает коэффициенты преломления полупроводниковых материалов, поэтому в целом повышается эффективный показатель преломления активной области, что ведет к повышению скачка эффективного показателя преломления для горизонтального волновода и, таким образом, к его усилению. В импульсном режиме генерации перегрев активной области относительно теплоотвода значительно меньше по сравнению с непрерывным режимом генерации [5]. Именно этим можно объяснить, что значения плотностей токов, при которых наблюдался срыв генерации в импульсном режиме (длительность импульса 1 мкс), были меньше, чем при работе лазерного диода в непрерывном режиме. Так, для лазерного диода с длиной резонатора L = 1 мм срыв наступал при 300 и 200 мА для непрерывного и импульсного режимов генерации соответственно.

Для предотвращения срыва генерации были изготовлены мезаполосковые лазеры с большим скачком эффективного показателя преломления An_L = = (6.2-6.8)-10^-³. Как следствие, лазерные диоды, изготовленные из такой гетероструктуры (партия КР1439-2), отличались отсутствием гистерезиса ватт-амперной характеристики во всем диапазоне стабильной одномодовой генерации. Таким образом, величина перепада эффективного коэффициента преломления, равная An_L = (6.2-6.8) • 10^-³, вполне достаточна, чтобы предотвратить явление коллапса встроенного волновода, связанное с повышением концентрации свободных носителей заряда в волновод-ных слоях и активной области. Одномодовый режим генерации при непрерывной накачке таких лазерных диодов с естественными зеркалами сохранялся до мощности 70 мВт на одно выходное зеркало.Нанесение отражающих (R > 95%) Si/SiO2 и просветляющих (R < 5%) SiO₂ покрытий на грани резонaтора Фабри-Перо лазерного диода позволило повысить выходную мощность излучения в одномодовом режиме генерации более чем в 2 раза. Такое увеличение связано не только с небольшим ватт-амперная характеристика в непрерывном режиме генерации таких лазерных диодов. Линейный характер зависимости наблюдается во всем диапазоне одномодового режима работы лазерного диода. При дальнейшем увеличении тока накачки в ватт-амперной характеристике последовательно наблюдаются „кинк“, плавное насыщение и срыв генерации (рис. 3, b). На рис. 4, a показаны типичные картины излучения в дальней зоне в плоскости, параллельной p-n-переходу, при различных значениях непрерывного тока накачки лазеров, изготовленных из гетероструктуры партии КР1439-2. Видно, что „кинку“ (излому) на ватт-амперной характеристике (рис. 3, b) соответствует сме щение картины дальнего поля относительно нормали к выходному зеркалу диода на несколько градусов. Такой характер поведения дальнего поля принято называть эффектом „отклонения луча“ (beam steering). Анализу этого явления посвящено множество работ, однако единого мнения о причинах, лежащих в его основе, нет [18-20]. Мы предполагаем, что это связано с трансформацией профиля эффективного показателя преломления, вызванной влиянием инжектированных носителей заряда на оптические свойства полупроводниковых материалов. Такая трансформация ведет к вытеснению аксиальной моды и необходимости распространения луча под некоторым углом относительно оси резонатора. Другими словами, запас перепада эффективного показателя преломления слишком мал, чтобы подавить влияние инжектированных носителей на волноводные свойства горизонтального волновода.

                                                                 Рис. 4. Распределение интенсивности излучения в дальней зоне и в плоскости, параллельной р—/7-переходу, при различных значениях выходной оптической мощности: a — для лазерного диода партии КР 1439-2, значение ширины поля на половине интенсивности (Ом),град.: 1 — 7.9, 2 — 8.0, 3 — 8.5, 4 — 9.0, 5 — 9.1, 6 — 7.9; мощность излучения в непрерывном режиме генерации, мВт: 1 — 5, 2 — 25,

3-50, 4 — 100, 5 — 185, 6 — 200; b — для лазерного диода партии КР1439-3, значение ширины поля на половине интенсивности (Ом),град.: 1 — 10.1, 2 — 11.5, 3 — 14.2,

4— 16.5, 5 — 17.3, 6 — 17.7, 7 — 17.9; мощность излучения в непрерывном режиме генерации, мВт: 1 — 20, 2 — 40, 3 — 60, 4 — 80, 5 — 100, 6 — 125, 7 — 150.

Необходимо отметить, что до появления излома на ватт-амперной характеристике картина дальнего поля излучения лазерных диодов практически не изменяется при увеличении тока накачки. Значение ширины диаграммы направленности излучения на полувысоте интенсивности (0..) слегка увеличивается от 8° (вблизи порога генерации) до 9° (выходная мощность 185 мВт). Такое стабильное поведение диаграммы направленности подтверждает одномодовый характер излучения лазерного диода в указанном диапазоне значений выходной мощности.

Измеренная картина дальнего поля в плоскости, перпендикулярной р—^-переходу, также свидетельствует о генерации нулевой оптической моды. Величина S_±составляет 38—40° во всем диапазоне токов накачки. Это хорошо согласуется с рассчитанным теоретически распределением поля в вертикальном направлении для данных значений толщины (D_w) и ширины запрещенной зоны {Е™) волноводных слоев (см. рис. 1).

Дальнейшее увеличение скачка эффективного показателя преломления An_L до значений (7—8) • 10^-³ (партия КР1439-3) приводит к возникновению кинка (излома) на ватт-амперной характеристике лазеров уже при токах накачки, близких пороговым значениям. При этом происходит непрерывный заметный рост полуширины диаграммы направленности излучения в горизонтальной плоскости с увеличением токов накачки. Необходимо отметить, что при этом распределение интенсивности излучения в дальней зоне хорошо описывается функцией Гаусса. Такой режим работы лазера можно назвать однолепестковым. И только при достаточно высоких плотностях токов накачки в картине дальнего поля появляются дополнительные максимумы, указывающие на присутствие мод высших порядков (рис. 4b).

Исследование спектров излучения лазерных диодов партии КР 1439-3 показало, что излучение носит не одномодовый характер сразу после порога генерации. Это выражается в том, что кроме пиков, соответствующих только фундаментальной моде с межмодовым расстоянием dА, А- длина волныгенерации,

Рис. 5. Спектр излучения лазерного диода, работающего при токе, равном 2I_th: a — партия КР1439-3, длина резонатора L = 770 мкм, 1 — пики, соответствующие аксиальной (фундаментальной) моде; 2 — пики, соответствующие модам высшего порядка; b — партия КР1439-2, L = 1500 мкм.

В спектрах лазерных диодов, изготовленных из структур партий КР1439-1 и КР1439-2 (рис. 5,b), расстояния между всеми соседними пиками имели постоянные значения величины /S1, которые строго соответствовали значениям, найденным из выражения (1). И что особенно важно, данное соответствие сохранялось во всем диапазоне токов накачки лазерного диода, работающего в режиме одномодовой стабильной генерации.

Для исследования и характеризации параметров изготовленных гетероструктур использовались в основном лазерные диоды с естественно сколотыми зеркалами.

                                       Рис. 6. Экспериментальная зависимость пороговой плотности тока (J_th) от обратной длины резонатора (1/L) для лазерных диодов партии КР1439-2: 1 — с шириной полоска W = 4.5 мкм, 2 — ширина полоска W = 100 мкм.

Рис. 7. Экспериментальная зависимость обратной величины внешней дифференциальной квантовой эффективности (1/rj_d) от длины резонатора (L) для лазерных диодов парии КР1439-2.

Зависимости пороговой плотности тока от длины резонатора лазерных диодов, изготовленных из гетеро-структуры партии КР 1439-2, представлены на рис. 6. Для сравнения на этом же рисунке приведены данные для лазеров с широким полосковым контактом W = 100 мкм, которые были изготовлены из аналогичной гетерострук-туры. Пороговая плотность тока при бесконечной длине резонатора составила значения 190 А/см² (W = 100 мкм) и 290 А/см² (W = 4.5 мкм, партия КР1439-2). Возрастание пороговой плотности тока в мезаполосковых лазерах с узким контактом связано с боковым растеканием тока под мезаполосковым контактом [15].

Важными параметрами для достижения высокой мощности и эффективности работы лазерных диодов являются значения внутреннего квантового выхода стимулированного излучения rjj и внутренних оптических потерь a_t. Они определялись из экспериментальной зависимости обратной дифференциальной квантовой эффективности от длины резонатора лазеров (рис. 7).

3.   Заключение

Основным требованием обеспечения одномодового режима работы в широком диапазоне токов накачки для лазерных диодов уже с оптимизированным дизайном гетероструктуры является точный выбор значений скачка эффективного показателя преломления An_L в плоскости, параллельной/?-/7-переходу, между активной и пассивными областями мезаполоска. Любые вариации в значении оптимальной величины An_L как в большую, так и в меньшую стороны приводят к существенному ухудшению излучательных характеристик одномодового режима работы лазерного диода. Так, уменьшение An_Lдля диодов с узким мезаполоском (W < 4.5 мкм) и слабым продольным волноводом ведет к существенному увеличению пороговой плотности тока, в частности за счет эффекта растекания [15], и резкому снижению значений максимальных токов накачки, что в свою очередь вызвано срывом генерации. Следствием незначительного повышения величины An_L относительно его оптимального значения является то, что сразу за порогом генерации в спектре электролюминесценции лазерного диода появляются дополнительные пики, соответствующие модам высшего порядка.

Таким образом, параметры квантово-размерной InGaAsP/InP-гетеро структуры раздельного ограничения со ступенчатым волноводом, выращенной методом МОС-гидридной эпитаксии, и мезаполосковой конструкцией лазерного диода были определены теоретически и экспериментально с целью достижения высокой выходной мощности при одномодовом режиме работы. В лазерах с шириной мезаполоскового контакта W = 4.5 мкм и An_L = (6.2-6.8) · 10^-³ получена выходная непрерывная мощность излучения 185 мВт при одномодовом режиме работы лазерного диода (Я = 1480 нм). При такой мощности увеличение полуширины диаграммы направленности излучения в горизонтальной плоскости составило 1° по сравнению с пороговым значением. Спектр излучения состоял из набора продольных мод с фиксированным расстоянием ДА, соответствующим меж модовому расстоянию резонатора Фабри–Перо. Максимальная выходная непрерывная мощность излучения в изготовленных лазерах составила 300 мВт.

Представляю несколько примеров производства силовых диодов.

Кремниевые выпрямительные высоковольтные столбы Е306А, Е306Б

Применение:

Столбы предназначены для работы в радиоэлектронной аппаратуре широкого применения и, в частности, в гибридных схемах умножителей напряжения, в том числе для приборов ночного видения.

Конструктивное исполнение:

Конструктивное исполнение высоковольтного столба Е306 представляет собой монолитную систему без внутренних пустот, не содержащую пожароопасных элементов. Технология изготовления прибора предусматривает защиту боковой поверхности р-n перехода и одновременно герметизацию прибора за счет нанесения и оплавления высокотемпературного силикатного стекла (t плавл. более 700 'С). Такой способ герметизации, защиты и корпусирования обеспечивает наиболее высокую надежность их работы, а также отсутствие изменений параметров во времени по сравнению со всеми известными высоковольтными приборами данного класса.

Основные эксплуатационные параметры

Е306 А

Е306 Б

Импульсное или постоянное обратное напряжение, В

2000

3000

Номинальный ток, мА

1,0

1,0

Постоянный обратный ток*, мкА

0,03

0,05

Масса, г

? 0,1

? 0,1

Допустимая частота рабочего напряжения, кГц

50

50

Постоянное прямое напряжение (при Iпр =1,0 мА) В

6,0

6,0

Рабочая температура окружающей среды, °С

–45...+60

–45...+60

Силовые Press-Pack IGBT компании WESTCODE для тяговых электроприводов

    IGBT -модули прижимной конструкции играют особую роль в развитии железнодорожного транспорта. Применение этих перспективных приборов с минимальным весом и габаритами в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора и дросселей.

    Структура IGBT

    Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.

рис. 1. Условное обозначение IGBT

рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

    IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).

    Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

    Преимущества прижимной конструкции IGBT

    Наряду с развитием традиционной технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированным основанием продолжает интенсивно развиваться технология прижимной конструкции IGBT- модулей (см. рис.3), подобная таблеточной конструкции тиристоров SCR (Silicon Controlled Rectifier) и GTO (Gate Turn-Off) - press-pack technology, в которой наряду с уменьшением более чем в 10 раз теплового сопротивления и габаритов значительно улучшены надёжность, термоциклоустойчивость [1]. Высоких параметров IGBT- модулей прижимной конструкции достигла компания Westcode.

    Полное отсутствие проволочных соединений, сварки и пайки позволило принципиально улучшить режим эксплуатации силового кристалла. Каждый отдельный IGBT и диод выполнен в своей ячейке. Параллельное включение таких элементов позволяет получить нужные конечные характеристики модуля. На рис.3, показан модуль на 900 Ампер, 5200 Вольт. Электроды затворов выполнены в виде прижимных золотых контактов, которые объединяются посредством общей печатной платы.

рис.3

Поскольку внутренние базовые элементы имеют одинаковую конструкцию для одного напряжения, то легко могут быть получены специальные конфигурации модуля в одном и том же корпусе. Границы определены только возможностями корпуса и величиной потерь, которые приведены на рис.4.

рис.4

    Полученные характеристики надежности показывают значительное превосходство перед альтернативными методами изготовления модулей, в том числе и паяных конструкций. Отсутствие проволочных соединений, пайки и сварки устранило основную причину повреждения модулей в процессе эксплуатации: неравномерное распределение тока, термоудар и механическую деформацию от перегрева. IGBT-чипы изготовленны по PT (punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du /dt стойкостью, и обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях. Внутренняя паразитная индуктивность затвора и эмитера значительно уменьшена по сравнению с обычными выводными IGBT модулями, что делает их более выносливыми при коротких замыканиях по выходной нагрузке. Принципиальным отличием данной технологии является возможность двухстороннего охлаждения кристалла и удвоение эффективности охлаждающей системы. В дополнение, прямое охлаждение эмиттерного контакта подразумевает наличие области безопасной работы SOA в характеристике модуля. Герметичный корпус предлагает другую опцию- возможность погружения модуля во фреон или масло для более эффективного охлаждения.

    Использование в тяговом электроприводе

    Press-pack IGBT позволяют произвести модернизацию существующего оборудования на GТО тиристорах. При этом может быть сохранена прежняя конструкция, схемы контроля и система охлаждения, с заменой только силовых модулей и драйверов управления. Press- Pack IGBT подходят как для приводов постоянного, так и переменного тока, поскольку там используется схожая топология. GТО тиристоры обычно характеризуются максимальным значением контролируемого анодного тока, в то время как IGBT характеризуются номинальным значением постоянного тока коллектора при максимальной рассеиваемой мощности на заданной температуре. Однако, IGBT может контролировать двойной ток коллектора при включении и выключении. Это означает, что для замены GТО тиристора может быть использован IGBT, у которого токовая характеристика в 2 раза меньше. Рассмотрим для примера 2-х уровневый трехфазный преобразователь с ШИМ на GТО тиристорах. В данном проекте применены 500А Press-pack IGBT (WESTCODE T0500NA25E) для замены GТО тиристоров 1000А (WESTCODE G1000LL250). Нормализованные величины потерь преобразователя показали увеличение потерь проводимости до 150%, но сокращение потерь переключения до 32% по сравнению с GТО тиристорами. При этом, определяющими являются именно потери переключения, где IGBT имеют преимущество начиная с частоты 140 Гц (рис.4.). В большинстве случаев, приводная техника работает на частотах более 150Гц, поэтому IGBT являются закономерным выбором для построения современного преобразователя. В дополнение отметим, что система крепления осталась без изменения, поскольку модули выполнены в одном конструктивном исполнении с GТО тиристорами.

    Трамвай в Варшаве

    Начиная с сентября 2003 года, Институт Электротехники Польши применяет Press-pack IGBT в трамвае в г. Варшава. При этом, для модернизации был заменен только драйвер управления и сам модуль, остальная электроника и конструкция осталась без изменения. Сейчас снятая с производства модель 2500В, 1200А СТО тиристора (WESTCODE WG12025) была заменена на 2500В, 500А IGBT (WESTCODE T0500NA25E). Эти примеры замены стали возможны лишь потому, что изделия были в идентичных корпусах. Каждый трамвай имеет два силовых преобразователя и лишь один был заменен на IGBT, при этом сохранилась полная функциональность всего оборудования.

   Тяговый электропривод (Польский проект)

    Немного более амбициозный проект был реализован в Польше для модернизации РКР локомотива (см. рис.5).

рис.5

    Данный локомотив работает от контактной сети 3000 Вольт постоянного тока. Локомотив приводится в движение четырьмя двигателями, объединенными в две группы с последовательным соединением (см. рис.6). Потребляемая мощность нормализуется с помощью входного фильтра, включенного сразу после контактной сети. Напряжение контактной сети может быть увеличено до 4 кВольт с кратковременным значением 5 кВольт, поэтому были использованы последовательно соединенные IGBT на 5200 Вольт (WESTCODE T0850TA52B) с конденсатором для подавления пульсаций. Преобразователь состоит из трех идентичных модулей, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных IGBT и двух диодов. Модуль управляется драйвером C0030BG400 компании WESTCODE с оптическим интерфейсом и изоляцией 10 кВольт. RC снабберные цепи использованы совместно с диодами, IGBT работает без снабберных цепей. Один модуль контролирует ток двух последовательно соединенных двигателей, третий модуль используется для защиты от превышения напряжения. Каждый из модулей собран с использованием алюминиевых радиаторов с хорошей теплопроводностью и компактными размерами (см. рис.7). Устройство собрано из двух субмодулей: один состоит из IGBT, другой- из диодов, что позволило уменьшить собственную индуктивность конструкции и унифицировать систему крепления элементов. Система охлаждения собрана в огнебезопасном GPO3 конструктиве в виде трубы, который обеспечивает прямое охлаждения элементов при отсутствии обдува критичных к воздействию поверхностей. При установке системы, два модуля, непосредственно управляющие моторами, были установлены перед трубой системы охлаждения, в то время как модуль контроля напряжения охлаждался естественной конвекцией. Ток двигателя контролировался с помощью ШИМ 400 Гц. Максимальный рабочий ток двигателя- 320А, пиковый ток- 400А. Привод управляется микропроцессором, который обеспечивает нужные функции управления, разгона и торможения двигателей.

рис.6

рис.7

    Преобразователь был протестирован вместе с системой управления и контроля лабораторией IEL в Варшаве (см. рис.7.), обеспечил заданные характеристики во всех режимах и был установлен в локомотив для дальнейшей работы.

    Заключение

    На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает, и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором прижимной конструкции (Press-pack IGBT) компании WESTCODE (см. табл.1), выполненные в стандартных таблеточных керамических корпусах, позволяют использовать стандартную конструкцию модуля и системы охлаждения, обеспечивают самый высокий уровень надежности в эксплуатации, предоставляя следующий уровень производительности современных IGBT модулей.

Таблица 1

Наименование

IGBT

Vces

В

Ic

A

Icm

A

Vce(sat) Ic=Ic

В

Eon Дж

Eoff Дж

V_FIf=Ic

В

Idm A

tdrr мксек

Qdr

мкК

Tjm °C

Rthjs

IGBT                 Диод

K/W                 K/W

Размеры,

Диаметр x высота,

мм

T0160NA45A

T0160NA52A

T0250NA45E

T0250NA52E

T0360NA25A

T0500NA25E

T0650TA52A

T0900TA52E

T1200TA25A

T1500TA25B

T1500TA25E

4500 5200 4500 5200 2500 2500 5200 5200 2500 2500 2500

160 160 250 250 360 500 650 900 1200 1500 1500

310 320 400 520 720 1000 1300 1800 2400 3000 3000

3.8 4.1 4.5 4.5 3.6 3.3 5.1 4.6 3.75 3.5 3.4

0.5 0.4 0.72 0.64 0.75 0.8 1.7 2.1 2.5 3.1 3.3

0.42 0.33 0.84 0.53 0.34 0.5 1.4 1.9 1.4 2.0 1.7

4.5 4.3 нет нет 2.5 нет 4.1 нет 3 нет

нет

400 400 нет нет 250 нет 1600 нет 670 нет

нет

0.96 0.25 нет нет 0.93 нет

2.3 нет

1.5 нет

нет

340 340 нет нет 285 нет 1400 нет 830 нет

нет

125 125 125 125 125 125 125 125 125 125 125

0.056 0.056 0.042 0.042 0.054 0.0386 0.016 0.012 0.0169 0.0136 0.0132

0.092 0.092 нет нет 0.073 нет 0.039 нет 0.0292 нет нет

74*26 74*26 74*26 74*26 74*26

74*26 112*26 112*26 112*26 112*26 112*26

Сокращения: V_CES – максимальное напряжение между коллектором и эмитером, I_C – максимальный DC ток коллектора при температуре 125°C, I_CM – максимальный импульсный ток коллектора, Vce(sat) –напряжение насыщения между коллектором и эмитером, E_ON –энергия включения, E_OFF –энергия выключения, V_F – падение напряжение на диоде в прямом направлении, I_DM –прямой ток диода, tdrr - время восстановления диода, Qdr –заряд на восстановление диода, T_JM –максимальная температура выводов, R_thjs - тепловое сопротивление между выводами и радиатором.

Силовые блоки на основе мощных диодов и тиристоров

Часть 1. Выпрямители. Ключи переменного тока

В статье представлены результаты работы проводимой в ОАО «Электровыпрямитель» в области конструирования и производства силовых сборок, выполненных по стандартным схемам преобразования электрической энергии.

При всем многообразии выпускаемых сегодня преобразователей, в них всегда присутствуют типовые силовые схемы, которые целесообразно использовать как отдельные законченные сборки, рассчитанные, в зависимости от применения, на различные рабочие напряжения и токовые нагрузки.

Построение силовых схем в виде отдельных моноблоков позволяет достичь максимально высоких технических и массогабаритных показателей, а также обеспечить существенное снижение издержек в производстве и обслуживании преобразовательного оборудования.

ОАО «Электровыпрямитель» обладает более чем 40-летним успешным опытом проектирования и производства силовых полупроводниковых приборов (СПП),охладителей и преобразовательных устройств для многих областей применения. Это дает возможность предложить заказчику разнообразные технические решения в области силовых схем — от простейших выпрямительных мостов до сложных преобразователей мощности мультимегаваттного диапазона.

Базовые силовые сборки компании состоят из мощных полупроводниковых приборов в дискретном или модульном исполнениях, теплоотводов с жидкостным и воздушным охлаждением, соединенных по стандартным схемам: B2U, B2HK, B2C, B6U, B6HK, B6C, W1C, W3C2, W3C и др. Кроме того мы поставляем законченные блоки любой конфигурации, выполняем эксклюзивные заказы на нестандартные конструкции силовых сборок, в том числе с использованием нестандартных теплоотводов.

По требованию заказчика силовые блоки могут поставляться с вентиляторами, снабберными элементами и изоляционными теплопроводящими (для СПП таблеточной конструкции) элементами, датчиками тока и температуры, драйверами управления и пр. Есть возможность поставки тиристорных и симисторных сборок с опторазвязкой силовых и управляющих схем; комплектации защитных цепей низкоиндуктивными кремниевыми резисторами и симметричными высокоэффективными ограничителями напряжения собственного изготовления.

Ряд применяемых в силовых блоках полупроводниковых приборов производства ОАО «Электровыпрямитель» включает в себя мощные диоды, тиристоры, триаки, IGBT-компоненты и другие СПП на токи в диапазоне от 10 до 6300 А, напряжение от 200 до 6500 В. Предприятие производит также большую серию охлаждающих устройств, применяемых в силовых сборках, для всех типов выпускаемых СПП.

Для приборов штыревой и таблеточной конструкций производятся воздушные и жидкостные теплоотводы с односторонним и двухсторонним способами охлаждения (всего 57 типов), с системами прижима и контроля усилий сжатия, крепежом, шинами и прочими аксессуарами. Максимальная мощность рассеивания, достигнутая на теплоотводах воздушного и жидкостного охлаждения, составляет соответственно 2,0 и 5,5 кВт.

Один из вариантов конструкции силовых блоков с применением мощных таблеточных тиристоров типа Т163-1000-42 и охладителей типа ДЖИЦ 432275.014 [1] показан на рис.1. Он представляет собой силовую сборку, состоящую их двух автономных субблоков с воздушным принудительным охлаждением.

Рис. 1. Силовой блок однофазного ключа переменного тока

В данной конструкции реализован однофазный ключ переменного тока на действующий ток 1400 А, напряжение 3500 В. Силовые блоки оснащаются R-C-цепями для обеспечения надежного включения тиристоров и защиты от перенапряжений. С помощью этих блоков легко собирается соответствующий многофазный ключ с теми же выходными параметрами, который может быть использован, например, в компенсаторах реактивной мощности. На основе этих же блоков можно собрать любую другую из перечисленных выше стандартных силовых схем, к примеру, мощный управляемый трехфазный выпрямительный мост для электропривода постоянного тока прокатного стана или для других применений.

Достаточно просто решается конструкция силового блока на основе плоских водяных охладителей разработки ОАО «Электровыпрямитель» и мощных таблеточных СПП, где все элементы схемы собраны в единый блок с общим прижимным устройством. Варьируя количество СПП и охладителей, их пространственное расположение относительно друг друга, можно реализовать практически все стандартные силовые схемы вшироком диапазоне мощностей — от высоковольтных диодных или тиристорных столбов до многофазных схем выпрямления и ключей переменного тока.

На рис. 2 представлен один из таких блоков, выполненный по схеме однофазного моста, с применением жидкостных теплоотводов ДЖИЦ 432281.011-01 [1] и тиристоров Т173-4000-10, рассчитанный на выходные токи до 3000А.

Рис. 2. Пример применения плоских жидкостных охладителей ДЖИЦ 432281.011-01 с тиристорами Т173-4000 при реализации силового блока по схеме однофазного выпрямительного моста

При необходимости приборы могут быть электрически изолированы от охлаждающих устройств с помощью выпускаемых предприятием изоляционных теплопроводящих элементов.

Весьма перспективными силовыми блоками в диапазоне преобразуемых мощностей от 5 до 400 кВт являются диодно-тиристорные сборки на основе беспотенциальных модулей [1]. ОАО «Электровыпрямитель» выпускает сегодня большую серию силовых энерготермоциклостойких диодно-тиристорных модулей прижимной конструкции с шириной медного основания 20, 34, 50, 60 и 70 мм; специально для этой серии были разработаны высокоэффективные охлаждающие устройства, в том числе предусматривающие групповое размещение модулей. Конструкция таких охлаждающих устройств зависит от электрической схемы и мощности силового блока, типа и количества применяемых модулей.

На рис. 3 показан силовой блок трехфазного регулируемого выпрямителя на ток 246 А, напряжение 0,4 кВ, с применением трех двухключевых тиристорных модулей типа М2Т-160 и нового охладителя типа 055, который по эффективности теплосъема и габаритно-присоединительным размерам полностью соответствует аналогичным теплоотводам, выпускаемых фирмами Fischer, Semikron, Eupec.

Рис. 3. Силовой блок трехфазного выпрямительного моста

Оптимальная длина охладителя для каждого конкретного случая рассчитывается с использованием трехмерного моделирования распределения тепла в силовом блоке (рис. 4) при заданных заказчиком режиме токовой нагрузки и условиях охлаждения модулей. На каждом блоке устанавливаются термореле и снабберные цепи.

Рис. 4. Пример пространственного распределения температуры в силовом блоке трехфазного выпрямительного моста при мощности потерь в модуле 200 Вт и естественном охлаждении

Блоки такой конструкции предназначены для устройств плавного пуска и управления скоростью вращения электродвигателей постоянного тока, регуляторов температуры и освещенности, электросварки, индукционного нагрева, гальваники, источников бесперебойного питания. Особенности конструкции блоков: компактные, легкие, беспотенциальный охладитель, высокая плотность мощности на единицу объема, высокая надежность при работе в тяжелых режимах циклических нагрузок.

Рис. 5. Силовой блок реверсивного трехфазного тиристорного моста

Если общая токовая нагрузка превышает допустимый отвод тепла от элементов схемы, то на одном охладителе монтируется плечо схемы, а все силовое устройство компактно размещается на общей несущей плите. Этот случай представлен на рис.5, где изображен силовой блок реверсивного трехфазного тиристорного моста для мощного тягового электропривода постоянного тока. Здесь используются 12 тиристорных модулей типа М1Т-630-12 и моноплиты, аналогичные охладителю 055. Основные технические характеристики и параметры силового блока реверсивного моста представлены в таблице.

Таблица

Наименование параметра

Величина

Питающая сеть: Номинальное напряжение (линейное), В Частота, Гц Число фаз

380 50 3 + нейтраль

Выходные параметры: Ток, А Напряжение, В Наличие реверса

900 0–400 имеется

Габариты, мм

450x600x300

Масса, кг

45

Охлаждение Скорость потока воздуха, м/сек

принудительное 6,0

Режим работы

продолжительный

На предприятии проводится разработка эффективных воздушных охладителей в виде моноплит шириной 260 мм и более для сложных и мощных преобразовательных устройств, силовые блоки которых также включают в себя (помимо схемы выпрямления) IGBT-инверторы.

Датчики тока и напряжения фирмы LEM (Швейцария).

Предлагаем вашему вниманию продукцию Швейцарского производителя датчиков тока и напряжения. Швейцарская фирма LEM выпускает более 1000 типов датчиков тока и напряжения специального исполнения для применения в любых условиях индустриального производства, а также широкий выбор измерительной аппаратуры, приборов и приспособлений, основанных на использовании эффекта Холла в электрических цепях. Все новейшие разработки фирмы LEM незамедлительно предлагаются на отечественном рынке силовой электроники. В настоящее время — это серия уникальных датчиков LTS с однополярным питанием +5В с номинальными токами 2-25 А, предназначенных для электронного преобразования постоянного, переменного, импульсного токов с гальванической развязкой между первичной и вторичной цепями. Миниатюрные датчики этой серии (9,3х22,2х24мм) обеспечивают точность преобразования 0,7% и полную линейность выходной характеристики в диапазоне частот от 0 до 200 кГц. В ближайшее время появятся датчики серии LTS на токи 6, 15 и 50 А.. Среди потребителей этой продукции — производители частотно-регулируемых приводов, источников бесперебойного питания, скоростных локомотивов, комфортабельных железнодорожных вагонов и трамваев. Начинают использовать эту продукцию и в автомобильной промышленности. Датчики тока и напряжения позволяют решить все проблемы в области силовой электроники, связанные с созданием систем обратной связи в электрооборудовании, а также при измерении и контроле постоянного, переменного, импульсного напряжения и тока в широких пределах с высокой точностью. Датчики обеспечивают точную изолированную ОС в системах управления приводами постоянного и переменного тока, в преобразовательной технике. Промышленные (стандартные) датчики тока перекрывают диапазон измерений от 0 до 10000 А и могут применяться в робототехнике, системах электроснабжения, промышленных приводах, сварочных машинах, электропечах, лазерной и медицинской технике, электро и радиосвязи и т.д. Специальные датчики для транспортных средств (индекс /SP) применяются в системах контроля и управления приводами электропоездов, ж.д. локомотивов, вагонов метро, трамваев, троллейбусов, в силовых агрегатах ветроэнергетических установок, миниГЭС и т.д. Датчики приспособлены к жестким условиям эксплуатации по температурному и механическому воздействию. Множество моделей датчиков для преобразования тока или напряжения разделены на 5 больших групп:



Датчики тока

Преобразователи тока

Прямого усиления на эффекте Холла

Компенса- ционного типа на эффекте Холла

Компенса- ционные, типа С

Компенса- ционные, типа IT

Гибкие, для переменного тока LEM-flex

Диапазон преобразования

0 - 18000 A

0 - 15000 A

0 -150 A

0 - 600 A

0 - 60 000 A

Частотный диапазон

0 -25 кГц

0 - 200 кГц

0 - 250/500 кГц

0 - 100 кГц

8Гц - 100 кГц

Точность при 25'C

±1%

±0,5%

±0,1%

±2ppm

±1%

Нелинейность

±0,5%

±0,1%

±0,05%

±1ppm

±0,05%

Время отклика

<3 - 7 мкС

<1 мкС

0,3-0,4 мкС

0,3 мкС

<50 мкС

Рабочая температура

-50...+70°C

-25...+85°C

-25...+70°C

-10...+50°C

-10...+50°C



Датчики напряжения

Преобразователи напряжения

Компенсационного типа на эффекте Холла

Компенсационные, типа С

Диапазон преобразования

0 -9500 B

0 - 2000 B

Частотный диапазон

несколько кГц

0 - 400/700 кГц

Точность при 25'C

±1%

±0,2%

Нелинейность

±1%

±0,05%

Время отклика

10...100 мкС

0,6 мкС

Рабочая температура

-50...+70°C

-50...+70°C

Выбор датчиков связан как с техническими, так и с экономическими предпосылками. Поэтому должны быть приняты во внимание все аспекты их применения. Среди технических параметров особое внимание нужно уделить следующим:

·        Электрические воздействия

·        Механические воздействия

·        Температурные воздействия

·        Условия эксплуатации

На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков.

При более сложных условиях применения датчика необходимо учесть такие факторы, как:

·        Внешние магнитные воздействия

·        Электромагнитные помехи

·        Крутизна фронта импульсов

·        Специальные требования по электрической прочности

·        Совместимость с существующими стандартами

Ограничительные диоды (супрессоры)

Диоды TRANSIL специально предназначенны для подавления перенапряжений возникающих припереходных процессах ( в наименовании диода используется чать слова, происходящего от английского слова transient - переходный). Основновной областью применения является защита от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защита мощных мощных транзисторов и теристорови т д .

Диоды изготавливаются как в однонапрвленом, так и в двунаправленном исполнеиях. Однонаправленное исполнение применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, поэтому приборы TRANSIL данного типа должны включаться в контур с учетом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL данного типа должны включатьсмя в контур с учетом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей. Двунаправленный диод TRANSIL может быть сотавлен из двух однонаправленных диодов TRANSIL путем их встречного последовательного включения.

В отличии от варисторов, которые так же используются для подавления перенапряжений, диоды TRANSIL являются значительно более быстродействующими. Время срабатывания диодов TRANSIL составляет несколько пикосекунд. Двунаправленые диоды TRANSIL всегда включаются параллельно защищаемому оборудованию. Сопротивление Rs представляет собой сумму всех сопротивлений, начиная от источника помех и заканчивая защищаемым оборудованием. Величина этого сопротивления влияет на выбор диода TRANSIL, поскольку нон ограничивает максимальный ток вызванный волной перенапряжения.

Изготовитель утверждает, что на практике при возникновении импульса перенапряжения всегда происходит ограничение, причем вероятность возникновения сбоя слишком мала. Само собой разумеется , что в цепь необходимо включить предохранители на случай, если в следствии малого инпеданса ожидается появление больших перенапряжений. Хотя диод TRANSIL всегда осуществляет ограничение, в слечае контура с малым Rs диод может полностью сгореть.

Своиства диодов TRANSIL определяются следующими параметрами:

· V_rm - пиковое обратное напряжение (Peak Reverse Voltage) - максимальное рабочее напряжение, при котором протекающий в течении длятельного времени ток не вызывает выхода защищаемого компонента из строя.

· V_br - пробивное напряжение (Break-down Voltage) - напряжение при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость увеличения тока превышает скорость увеличения напряжения. Величина напряжения обычно укказывается для температуры 25° C, температурный коэфициент положительный, допустимые отклонения в пределах 5% либо в интервале от - 5 до +10 %.

· V_cl - напряжение фиксации(Clamping Voltage) - максимальное напряжение для так называемого "нормальзованного" максимального импульса пикового тока Ipp. Внешний вид "нормализованного" импульса приведен на рис. 3 .Характеристика тока является экспоненциальной. В таблице приведены параметры для двух стандартных форм импульса тока.

· I_pp - пиковый импульсный ток (Peak Puls Current) -пиковый ток в рабочем режиме.

· V_f- прямоенапряжение ( Forward Voltage) - напряжение в прямом направлении. Аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В.

· I_f - прямой ток ( Forward Current) - максимальный пиковый ток в прямом направлении.

Воздействие

t₁, мкс

t₂ , мкс

Волна " 8/20 мкс"

8

20

Волна "10/100 мкс"

10

1000

Пиковые потери в диодах TRANSIL

Исследованиями было установленно, что во многих устройствах возникают перенапряжения , вызывающие импульсы тока, временная характеристика которых составляет примерно 10/1000 мкс (возрастание /убывание) в соответствии с экспонинциальной кривой. В спецификациях обычно приводятся данные для подобного типа переходных процессов. Указанные в спецификации потери для непереодических импульсов определяются по следующей формуле: P_p=V_cl*I_pp.

Потери для переодических импульсов таковы:

P_av=f*W, где f- частота следования импульсов, W-энерги каждого импульса.

Сравнение защиты оборудования с помощю варисторов и диодов TRANSIL

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжении составляет 25 нс. Такое время для некоторого оборудования может оказаться недостаточным. Теоретическая скорость срабатывания диодов TRANSIL на импульс находится в области пикосекунд. Изготовитель утверждает, что в лабораторных условиях трудно создать такой переходный импульс, на который диод TRANSIL срабатывал бы с опозданием, т. е. в его пиковой части. Моделируемое время нарастания фронта всегда находилось в пределах 5 нс - на практике это время может составлять несколько пикосекунд. в данном случае необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что может оказаться заманчивым использовать диоды TRANSIL в качестве быстродействующих выпрямительных приборов. Однако диоды TRANSIL вобще нельзя использовать в данных целях, поскольку они имеют большой остаточный заряд и длительнное время рассасывания.

Диоды TRANSIL фирмы SGS-THOMSON и диоды TVS фирмы GI

Оба изготовителя выпускают большое разнообразие защитных диодов, рассчитаных на различные значения напряжения Vvr или Vbr , причем используется небольшой шаг дискретизации по номинальному напряжению. Однако обычно не все диоды являются доступными, поскольку на практике не играет роли, используете ли Вы диод, рассчитанный на напряжение, например, 33 В или 37 В. Вследствии этого изготовитель предлагает в каждом классе некоторые предпочтительные значения. Остальные значения носят информационный характер, изготовитель осуществляет их производство только в гиперколичествах.

Защита электронных схем в автомобилях

Важнейшими источниками перенапряжений в автомобилях являются устроиства, содержащие индуктивности: генератор переменнго тока, свечи зажигания , стартер, реле и т.п. Самым сильным источником помех является система зажигания, величина перенапряжений откоторой может достигать 300 В. вследствии этого в автомобилях широко применяется защита с помощью диодов TRANSIL. Для автомобильного радио-приемника достаточно включить один диод TRANSIL, в этом случае не надо беспокоится о выходе из строя его электронных компонентов. Подобные затраты всегда оправдываются. Вданном случае справедливо следующее правило: аккумулятор вследствии малого внутреннего сопротивления является наилучшим поглотителем перенапряжений.Поэтому лучше всего электропитание отдельных устройств перенести к месту как можно ближе к его зажимам. Фирма SGS-Thomson производитдлязащиты оборудования автомобилей специальные типы защитных диодов - LD24AS , LD24M. Их отличие от диодов обычногоприменения заключается в мощной металлической конструкции. Диоды имеют полупроводниковый кристалл больших размеров и выдерживают большую температуру. Это, однако, не означает, чтов автомобиле нельзя использовать обычные диоды TRANSIL .

Защита транзисторов

Диоды TRANSIL удобно использовать для защиты биополярных и МОП-транзисторов. Диоды TRANSIL можно использовать для защиты как управляющего электрода МОП-транзисторов, так и самого перехода. В данном случае всегда следует учитывать характер импульсов перенапряжения - однократные или переодические.

Защита сетевого распределительного устройства - сеть 220 В

В настоящее время диоды TRANSIL широко применяются для защиты оборудования, подключенного к сетевому распределителю. За счет небольшого вложения средств представляется возможность защититьдорогостоящее оборудование. Одним из основных источников перенапряжений в таких сетях являются атмосферные помехи. Применение диодов TRANSIL является особенно полезным для защиты объектов, подключенных к воздушным линиям. Для этих целей обычно применяют двунаправленные диоды TRANSIL, в часности 1.5KE440CA или P6E440CA.

Защита линий передач данных

Защита линий передач данных - важная область применения диодов TRANSIL. Разработанны наборы диодов TRANSIL, которые могут применяться как для защиты TTL-схем параллельного ввода/вывода, в частности, ТРВ220, так и для линий последователь ной передачи, например, сетевых карт ESDA6V1S3 фирмы SGS-Thomson.

Диоды TIRISIL

Диоды TIRISIL предназначены для защиты электронного оборудования от перенапряжений главным образом в области телекоммуникаций. Диоды разработанные фирмой SGS-Thomson в 1983 году и изготавливаются исключительно этой фирмой. Вольтамперная характеристика диодов TRISIL напоминает характеристику компонентов DIAK.

Диоды TRISIL выпускаются только в двунаправленном направлении и подключаются параллельно защищаемому оборудованию.

Описание функционирования диодов TRISIL

В рабочем состоянии через диод TRISIL протекает незначительный ток. Припревышении определенного (порогового) значения напряжения, импеданс диода скачкообразно изменяется и происходит ограничение напряжения. Работа на этом участке волтамперной характеристики сходна с работой двунаправленного диода TRANSIL.

При дальнейшем незначительном увеличении тока происходит резкое снижение импеданса до десятков Ом, что практически закорачивает цепь, тем самым "срезая" полезную часть импульса перенапряжения.

Основные параметры диодов TRISIL

V_rm - максимальное непрерывное рабочее напряжение, при котором ток, проходящий через компонент, не вызывает повреждений. Для данного напряжения в спецификации указывается соответствующий ток I_rm.

V_br - пробивное напряжение ( Breakdown Voltage) - напряжение при котором происходит резкое увеличение проходящего через TRISIL тока, причем скорость изменения тока выше, чем скорость нарастания напряжения. Этому напряжению соответствует ток I_br=1мА.

V_bo - напряжение опрокидывания (Breakover Voltage). В точке Vво происходит резкое изменение импеданса от большого неопределенного значения до нескольких от большого неопределенного значения до нескольких Ом. В спецификации для данного напряжения указан ток Iво.

Iн - при падении тока ниже данного значения происходит обратное увеличение импеданса диода TRISIL.

Ipp - предельное значение тока для определения формы импульса - относительно10/1000 мкс, экспоненциальная форма.

Электрические схемы трамвайных вагонов и троллейбусов предусматривают использование нагревательных элементов для поддержания заданной температуры в кабине водителя и салоне в зимний период. Мощность отопительных систем может достигать 8кВт для кабины водителя и 12-для салона. Столь значительная мощность отопителя кабины водителя учитывает возможность наступления сильных морозов, и избыточна для оттепелей. Необходимость регулирования мощности обогревателей очевидна. В салоне на температуру влияют помимо всего прочего частые открывания дверей, изменение количества пассажиров и т.д. Приемлемым способом стабилизации температуры является циклическое включение нагревателей по сигналу датчика температуры; исполнительным элементом, осуществляющим подключение нагревателей к напряжению контактной сети является в существующей практике электромеханические контакторы. Поскольку речь идет о коммутации токов 10-20 Ампер при напряжении постоянного тока до 900 Вольт - к коммутирующему аппарату предъявляются жесткие требования по электрической износоустойчивости. Учитывая принципиально большое количество циклов включения в системах регулирования температуры, подходящим к этому случаю, были бы твердотельные реле - электронные переключатели. Все известные реле, однако, рассчитаны на применение в цепях переменного тока, где коммутация (при помощи тиристора) происходит легко при переходе через ноль тока в нагрузке; коммутаторы цепей постоянного тока известны по применениям в автомобильной, низковольтной электронике и совершенно не пригодны для коммутации цепей постоянного тока электротранспортных средств. Отдельные предприятия изготавливают ключи постоянного тока, но это вовсе не массовые внедрения, а скорее эпизоды, пробы. Эти пробы дают сильно различающиеся ценовые показатели, которые отчасти связаны с принятыми схемотехническими решениями, а отчасти с местом и условиями производства. Относительная новизна темы и желание наладить поставки конкурентоспособных с электромеханическими контакторами" твердотельных" изделий привели к разработке изделий под названием ЕВРО (электронный выключатель регулятора отопления). Ниже представлены основные технические характеристики

Максимальное значение напряжения, которое блокирует электронный ключ, В

1000

Максимальный ток нагрузки, А

20

Допустимое значение импульса перенапряжения, которое не приводит к выходу из строя изделия, В

3000

Наличие защиты:

- по перегреву - по превышению тока

+

+

Индикация:

--- "Перегрев" --- "Перегрузка по току" --- "Работа"

+

+

+

Электрическая прочность токоведущих частей относительно корпуса, В (время приложения испытательного напряжения 1 мин.)

3750

Диапазон температуры, град С

-40 до +10

Масса, кг

2

Конструктивное исполнение

IP54

ТЕСТИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ДИОДОВ

Давайте рассмотрим, как происходит подготовка к тестированию мощных диодов на основе простого переносного оборудования. Измерение характеристик этих приборов создает определенные трудности, если не используется необходимая аппаратура.

Измерительное оборудование

Одним из лучших способов измерения этих приборов является развертка, тока и напряжения на подходящем дисплее. Используя развертку, можно определить, исправен прибор или нет, измерением пробивных напряжений, токов утечки, прямого напряжения и т. д. Однако индикатор развертки типа Тектроникс 576 является дорогостоящей частью оборудования, которое используется почти неограниченно для мощных приборов. Таким образом, многие компании не располагают ресурсами, необходимыми для приобретения этого комплекта оборудования.

Теперь представим дилемму - как измерить эти приборы без использования характериографа. Возможно ли использование омметра или мегомметра? Для чрезвычайно ограниченных случаев - да, для исследования глубинных процессов в приборах - нет. В частности, если прибор полностью закорочен, тогда этот тест будет работать.

Однако, если прибор закорочен не полностью, полученные результаты сомнительны вследствие малых тестовых токов и /или напряжений. Это может вести к ошибкам или неверному заключению, так как годные приборы могут иметь измеренное сопротивление с изменением в 3-4 раза или даже иметь показатели разомкнутой схемы.

Часты случаи отбраковки годных приборов из-за применения этих недостоверных методов. Дефектные приборы могут держать напряжение вплоть до 100В, а затем отказывают до достижения рабочего напряжения.

В качестве альтернативы применения омметра или мегомметра может быть собрана простая схема, позволяющая ограниченное тестирование мощных приборов на годность.

Настоящая заметка представляет три простых схемы для тестирования этих приборов: от исключительно простой до слегка усложненной.

Тестирование

При тестировании тиристоров два параметра являются критериями работоспособности прибора: I_GT - постоянный ток затвора, необходимый для запуска тиристора, I_H - ток удержания, необходимый для проводимости тиристора, как только он будет запущен.

При комнатной температуре для большинства современных тиристоров, I_GT менее 150мА, a I_H - менее 500мА. В случае сомнения полистайте, пожалуйста, справочные данные тиристора для уверенности в том, что тестовая схема обеспечивает необходимые токи нагрузки и управления.

Первая схема, показанная на первом рисунке, является простой 6-вольтовой осветительной батарейкой, приспособленной для измерения работоспособности тиристора.

Это чрезвычайно удобная тестовая схема для применения в полевых условиях. В частности, тиристор соединен последовательно с лампой и батареей с моментальным переключением, обеспечивающим импульс на затворе, необходимый для запуска тиристора.

Тестовая схема втором рисунке предназначена для тестирования диодов.

Две лампы накаливания соединены в виде нагрузок, они являются и индикаторами. Если диод не исправен и не способен выдерживать обратное напряжение, обе лампы будут гореть, указывая на отказ диода. Наоборот, левая лампа будет гореть при полном функционировании диода. Для работы пригодна любая 12В лампа, в качестве D1 и D2 могут использоваться любые диоды. Эта схема имеет ограничения за счет малых тестовых токов и напряжений.

Наконец, на третьем рисунке представлена более сложная тестовая схема:

Выпрямленное напряжение подается на тестируемый прибор (тиристор или диод), для уверенности двуполюсный сдвоенный переключатель выбирает прямое или обратное включение. Обратный тест подтверждает, что тиристор или диод находятся под обратным напряжением. Если в течение этого теста лампы горят, то измеряемый прибор не держит обратного напряжения и не исправен.

Эта схема более сложная, чем две предыдущих, но обеспечивает лучшие результаты, так как в ней используется более высокое напряжение для измерения характеристик. Прямой тест используется только для тиристоров путем тестирования по затвору тиристора.

Лампа не должна светиться вплоть до момента переключения, во время которого лампа должна вспыхнуть. Лампа будет гаснуть, как только переключение закончится.

Корпус

Для сверхбольших уровней мощности можно порекомендовать корпус типа Hockey PuK. Это очень удобный, с низким тепловым сопротивлением корпус, в котором контакт обеспечивается внешним давлением с фиксатором.

Попытки измерить характеристики этого корпуса без правильного размещения в фиксаторе приводят к ошибочным замерам (подобно открытой схеме), так как при этом не обеспечивается необходимое контактирование.

Заключение

Применяя схемные идеи, изложенные здесь, можно определить работоспособность мощных приборов. Не требуется применение омметра или мегомметра.

К тому же вышеприведенные тесты обеспечивают более надежную информацию по функционированию этих приборов, так как только с помощью характериографа могут быть получены приемлемые результаты.

Схема с контрольной лампой (рис. 1) идеальна для быстрого контроля на качественном уровне вследствие ее простоты.

Схема на рис. 3 в наибольшей степени пригодна для лабораторий, которые часто тестируют тиристоры и диоды, но не имеют средств на характериограф.

Заключение Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью. Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность. Силовая электроника – это новая отрасль человеческой деятельности, производятся все больше больших и сложных электротехнических объектов, функционирование которых не возможно без значительных энергетических затрат. А, значит, промышленная электроника должна обеспечивать эти технические средства надежными приборами защити, в том числе и против пробоев и загораний. Именнодля этих целей и нужно внедрять новые технологии изготовления и управления сверх мощными диодами.

Список литературы

Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений, М., 1968; Федотов Я. А.,

Основы физики полупроводниковых приборов, М., 1970;

Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973;

F.Wakeman, K.Billett, R.Irons и M.Evans, ‘Electromechanical characteristics of a bondless pressure contact IGBT’ APEC 1999

Мартыненко В. А., Чумаков Г. Д. Новые высокомощные диоды и тиристоры для промышленности, транспорта и энергетики // Силовая электроника. 2005. № 1.

Ю.С. Забродин “Промышленная электроника”

http://www.power-e.ru/3.php

http://transport.chipexpo.ru/rus/news.php

http://www.discon.com.ua/?v=products&s=articles&nn=6

Журнал силовая єлектронника, № 2, 2006

А.Ю. Лешко, А.В. Лютецкий, НА. Пихтин, СО. Слипченко, З.Н. Соколова, Н.В. «Физика и техника полупроводников», 2002, том 36, вып. 11

Валерий Масленников, Валентин Мартыненко, Станислав Толкачев, Рафаэль Биктиев, Геннадий Чумаков «Компоненты и технологии2, № 5’2005

Мартыненко В. А., Чумаков Г. Д. Новые высокомощные диоды и тиристоры для промышленности, транспорта и энергетики //Силовая электроника. 2005. № 1.

ОАО «Электровыпрямитель». Силовые блоки // HiT Разработки в электронике. 2004. № 4.

А. К. Хрулев, В. П. Черепанов (1999) Диоды и их зарубежные аналоги.

У.С.Иванов «Компоненты силовой электроники » 2006г , Москва

Н. Н. ГОРЮНОВА, Ю. Р. НОСОВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды. ПАРАМЕТРЫ, мЕТОДЫ   иЗМЕРЕНИЙ, «СОВЕТСКОЕ РАДИО» МОСКВА—1968

5rik.ru

Материалы для учебы и работы

Мощные силовые диоды

Датчики тока и напряжения фирмы LEM (Швейцария).

Пиковые потери в диодах TRANSIL

Сравнение защиты оборудования с помощю варисторов и диодов TRANSIL

Диоды TRANSIL фирмы SGS-THOMSON и диоды TVS фирмы GI

Защита электронных схем в автомобилях

Защита транзисторов

Защита сетевого распределительного устройства - сеть 220 В

Защита линий передач данных

Диоды TIRISIL

Описание функционирования диодов TRISIL

Основные параметры диодов TRISIL