Полупроводниковый вентиль ВЛ-200
На (рис. 4.39) показан схематический разрез кремниевого диода. Пластинка ср-п переходом, состоящая из слоев алюминиевого сплава 8, высоколегированного кремния 9, кремниевого диска 10, припаяна сплавом серебра с сурьмой 11 к нижнему вольфрамовому диску 12. Последний при помощи припоя связан с массивным медным основанием. Верхняя часть кремниевой пластины спаяна с верхним вольфрамовым диском 7, к которому припаяна медная чашечка 6, а к ней — наконечник 4 внутреннего гибкого медного вывода. Вольфрамовые диски, обладающие близким к кремнию температурным коэффициентом линейного расширения, уменьшают механические напряжения, возникающие между кристаллом кремния и медным основанием при нагреве током областир-п перехода. Кремниевый и вольфрамовые диски заключены в стальной эмалированный корпус 5, связанный с выводной втулкой 1 при помощи слоя напряженного свинцового стекла 2. Спай стального корпуса со свинцовым стеклом выполнен через слой эмали 3 и является изолятором. Внутренний гибкий вывод компенсирует тепловые деформации, а наружный вывод обеспечивает гибкую связь с токоведущими частями других аппаратов. Медное основание вентиля имеет шпильку с резьбой М14 для
Рис. 4.39. Кремниевый диод:
1 — выводная втулка; 2 — свинцовое кольцо; 3 — слой эмали; 4 — наконечник; 5 — корпус; б — медная чашечка; 7— верхний вольфрамовый диск; 8 — слой алюминиевого сплава; 9 — слой высоколегированного кремния; 10 — кремниевый диск; 11 — сплав серебра; 12 — нижний вольфрамовый диск; 13 — медное основание; 14 — шпилька
крепления охладителя. Мощные кремниевые вентили на подвижном составе имеют воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении массивный медный вывод (основание) вентиля ввинчивают в металлический охладитель, имеющий развитую ребристую поверхность. При принудительном воздушном охлаждении охладители заключают в кожух, через который пропускают воздух, нагнетаемый венти-
лятором. В основании корпуса охладителя имеются отверстия для изолированных стержней, на которых в зависимости от схемы преобразователя может быть укреплено несколько вентилей.
Лавинные диоды. Несмотря на высокую степень чистоты исходного материала, структура электронно-дырочного перехода неравномерна. При этом возникают местные сужения перехода и появляются локальные участки, напряженность электрического поля в которых при приложении обратного напряжения может повышать среднее значение, характерное для данного перехода. Неравномерность структуры р-п перехода возрастает по мере приближения его к выводу на поверхность. Это объясняется большой концентрацией посторонних частиц, попадающих в переход в процессе его изготовления. Повышенная неравномерность обусловливает появление больших локальных сужений в структуре перехода и, следовательно, соответственно больших значений напряженности поля при приложении обратного напряжения. Поэтому вероятность пробоя электронно-дырочного перехода вблизи вывода его на поверхность выше, чем в средней части. В настоящее время в ВУ подвижного состава применяют лавинные вентили. У этих вентилей путем специальных мероприятий снижают напряженность поля в области вывода/>-я перехода на поверхность. В таких диодах в месте вывода р-п перехода на поверхность с пластины кремния снимают по окружности фаску под определенным углом. Кроме того, в области выводами перехода на поверхность по окружности кремниевой пластины концентрацию основных носителей зарядов выполняют меньшей, чем в средней части пластины. Ширина/>-я перехода в этой зоне увеличивается, и напряжение пробоя в средней части пластин оказывается меньшим, чем у торца пластины. В обычных диодах мощность потерь, выделяемых при прохождении обратного тока, должна быть значительно меньше мощности потерь, получаемых при прямом токе. Это объясняется тем, что прямой ток диода распределяется по всей площади электронно-дырочного перехода равномерно и рассеивание выделяемого тепла происходит по всей площади, не вызывая недопустимых местных превышений температуры.
В непроводящую же часть периода вследствие неоднородности сопротивления запорного слоя обратный ток проходит лишь через отдельные микроплощадки в местах с повышенной плотностью, об-
ладающих меньшим удельным сопротивлением. При этом плотность тока оказывается весьма значительной, и в малых участках объема полупроводника выделяется значительная энергия. Это может привести к местным повышениям температуры запорного слоя и создать условия для пробояр-п перехода.
В лавинных диодах благодаря применению монокристаллов кремния с высокой однородностью структуры и специальной технологии обработки полупроводника обратный ток распределяется равномернее по площади/>-я перехода. Поэтому нагрев объема кристалла обратным током происходит по всему сечению перехода, и местное превышение температуры отдельных участков его практически исключается, а это исключает условия пробоя перехода.
Характеристики вентилей. Характеристики являются измеряемыми величинами, описывающими электрические, механические, тепловые и другие свойства диодов при определенных условиях. Характеристики делятся на паспортные (основные) и проектные (дополнительные). Паспортные характеристики вентилей позволяют по ограниченному количеству фиксированных значений параметров определить соответствие данного вентиля стандарту или ТУ, сравнить его с аналогичными изделиями. Эти параметры определяют в конкретных условно заданных режимах. Обычно паспортные характеристики дают в виде таблиц или перечня номинальных данных.
Проектные характеристики позволяют определить зависимость различных параметров вентилей во всем диапазоне их изменения от величины, длительности и характера нагрузки с учетом схем преобразования, условий окружающей среды, интенсивности охлаждения и т.д. Эти характеристики дают возможность выбрать наиболее целесообразную нагрузку вентилей в различных режимах работы и условиях эксплуатации.
Базовой (вольт-амперной) электрической характеристикой вентиля является зависимость падения напряжения на вентиле от тока при определенной температуре структуры. Различают три типа вольт-амперной характеристики: статическую, динамическую и классификационную. Статическая характеристика снимается на постоянном токе, динамическая на переменном в мгновенных значениях напряжения и тока. Классификационная характеристика снимается на однополупе-риодном переменном токе частотой 50 Гц: прямая ветвь ее соответствует пропусканию через вентиль синусоидального тока, при этом фиксируются приборами магнитоэлектрической системы средние за период значения тока и напряжения; обратная ветвь — приложению к вентилю синусоидального напряжения, при этом фиксируются среднее за период значение тока и амплитудное значение напряжения.
Из классификационной вольт-амперной характеристики определяют номинальные (паспортные) параметры вентиля: номинальный ток, номинальное напряжение, прямое падение напряжения вентиля.
Номинальный ток вентиля — среднее за период значение выпрямленного тока частотой 50 Гц, синусоидальной формы, протекающего через вентиль при его работе в однофазной однополупериод-ной схеме выпрямления на активную нагрузку и угле проводимости 180 при номинальных для данного вентиля условиях охлаждения.
Номинальное (классификационное) напряжение вентиля — максимально допустимое мгновенное значение напряжения, длительно прикладываемого к вентилю в обратном направлении в номинальном режиме работы, при котором обеспечивается его заданная надежность, исключающая повторяющиеся и неповторяющиеся напряжения.
Максимальное обратное напряжение соответствует точке или области загиба обратной ветви вольт-амперной характеристики вентиля, когда при небольшом приращении напряжения резко увеличивается обратный ток.
Прямое падение напряжения — среднее за период значение напряжения на вентиле при прохождении через него номинального тока и температуре окружающей среды +25 °С.
Обратный ток — среднее за период значение тока, протекающего через вентиль при прохождении к нему номинального обратного напряжения.
Ток аварийной нагрузки—ток, протекание которого вызывает превышение допустимой температуры электронно-дырочного перехода, но воздействие которого предполагается лишь ограниченное число раз за срок службы вентиля как результат необычных условий работы схемы. Ударный ток — максимально допустимое значение тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданной начальной температуре полупроводниковой структуры без последующего приложения напряжения.
Повторяющееся напряжение — максимально допустимое мгновенное значение напряжения, которое может многократно периодически прикладываться к полупроводниковому прибору в обратном или прямом направлении.
Неповторяющееся напряжение — максимально фиксируемое мгновенное значение напряжения, прикладываемого к прибору в обратном или прямом направлении при процессах, имеющих непериодический характер.
Групповое соединение диодов применяют для повышения надежности выпрямительной установки, чтобы выход из строя одного диода не нарушал работы всей установки. В мощных выпрямительных установках выпрямленный ток оказывается больше номинальных токов, допустимых для отдельных полупроводниковых диодов. Для пропуска таких токов несколько диодов включают параллельно.
При полной идентичности прямых ветвей вольт-амперных характеристик параллельно включенных диодов в рабочем диапазоне температур суммарный ток в цепи распределялся бы между ними равномерно. Однако вольт-амперные характеристики диодов, даже изготовленных из одного монокристалла, неидентичные. Как прямые, так и обратные ветви вольт-амперных характеристик диодов одной группы могут иметь различие в пределах допустимого стандартом разброса прямого падения напряжения и обратного тока. Различие в прямых ветвях вольт-амперных характеристик, вызываемое различием внутреннего сопротивления полупроводниковых диодов, при параллельном включении обусловливает их неравномерную нагрузку. Специальный подбор диодов по характеристикам, возможный на заводе-изготовителе, чрезвычайно затруднен, а в условиях эксплуатации при ограниченном числе диодов практически невозможен. Поэтому при параллельном включении диодов их берут с запасом, учитывающим
неравномерное распределение тока по диодам. Коэффициент запаса, учитывающий неравномерность распределения тока между параллельно включенными диодами, принимается равным 1,15—1,25. Число параллельно включенных диодов выбирают для номинальных условий охлаждения по заданному наибольшему продолжительному току нагрузки с проверкой температуры электронно-дырочного перехода при пропуске диодами тока короткого замыкания расчетной длительности.
В выпрямительных установках подвижного состава напряжения, прикладываемые к диодам в непроводящую часть периода, превышают допустимые напряжения одного диода, а поэтому в них несколько диодов соединяют последовательно. Число последовательно включенных в плече диодов выбирают из условия обеспечения их электрической прочности при приложении периодически повторяющихся обратных напряжений и коммутационных перенапряжений. Максимальное значение обратного напряжения, воспринимаемого диодами, определяется схемой включения и параметрами преобразователя. При последовательном соединении диодов обратное напряжение между ними распределяется неравномерно вследствие разброса значений их внутреннего сопротивления. Для выравнивания обратного напряжения на последовательно соединенных диодах они шунтируются резисторами одинакового сопротивления. Эти резисторы образуют делитель напряжения. Для того чтобы деление обратного напряжения между диодами определялось сопротивлениями этих резисторов, сопротивление их берется в 3—5 раз меньше минимального сопротивления вентиля.
Вследствие больших допустимых обратных токов лавинные диоды не нуждаются в принудительном равномерном распределении напряжения при последовательном их включении. Обратный ток при последовательном соединении ограничивается теми вентилями, на которых напряжение не достигло значения, соответствующего лавинному заряду.
ВЫБОР ВЕНТИЛЕЙ
В ходе проектирования выбираются типы вентилей и их класс по напряжению. Тип полупроводникового вентиля определяется средним выпрямленным током и требуемой перегрузочной способностью, а класс – максимальными повторяющимися (мгновенными) напряжениями.
Сначала выбираем способ охлаждения. Выбираем принудительное воздушное охлаждение, чтобы обеспечить условие допустимой перегрузки по току.
1) Средний ток тиристора определяется по выражению:
где nш – количество вентилей в преобразователе, исключая параллельное и последовательное соединения, т.е. подсоединенных к одной выходной шине nш = 3;
А.
Предварительно выбираем тиристор с предельным током в 6-10 раз превышающим его средний ток при естественном охлаждении
kф = 
— коэффициент формы тока тиристора
2) Максимально длительно допускаемый средний ток тиристора:
3) Определяем коэффициент запаса по току:
.
4) При номинальном токе установившаяся температура p-nперехода при номинальном токе:
°С
,где мощность рассеяния тиристора в открытом состоянии при номинальном токе преобразователя
5) Максимально допустимая мощность рассеяния, при которой за время перегрузки (60с) температура перехода достигает максимально допустимой величины:
,где
6) Максимально допустимый ток предварительно нагретого тиристора за время перегрузки: 
7) Максимально допустимый ток перегрузки преобразователя с полуторократным запасом:
573,095
Условие допустимой перегрузки по току:
2,4 ·192 = 460,8А ≤ 573,095 А – условие выполняется.
8) Максимальное импульсное рабочее напряжение:
,где kсп=1,1-коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в сети
9) Определим класс вентилей по формуле:
Класс вентилей = 14
4. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СГЛАЖИВАЮЩЕГО И УРАВНИТЕЛЬНОГО РЕАКТОРОВ
1) Рассчитаем индуктивность якорной цепи двигателя:
pп=2- число пар полюсов двигателя (для номинальной частоты вращения двигателя n=575 об/мин),
2) Допустимая величина тока якоря в относительных единицах:
3) Индуктивность сглаживающего реактора:
– относительная величина ЭДС низшей гармоники преобразователя для p = 6 из табл. 4
— угловая частота.
Отсюда следует, что сглаживающие реакторы не требуются, так как индуктивность, имеющаяся в цепи уже способна ограничить эти токи. 
.
4) Максимальный граничный ток (при α = 90°):
,где коэффициент граничного тока 
из табл. 4, индуктивность цепи якоря 
Гн.
5) Для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания, необходимая индуктивность сглаживающего реактора вычисляется по формуле
Lо.к.з.= 
,
где ITSMm = 7 кА – допускаемое значение ударного неповторяющегося тока тиристора в открытом состоянии при длительности протекания 10 мс и максимально допустимой температуре перехода; LУР – индуктивность уравнительного дросселя.
,
где kУР – коэффициент среднего уравнительного тока, kУР = 0; nУР – количество дросселей, включенных последовательно в один контур, nУР = 1; IУР – принятая максимальная величина среднего значения уравнительного тока.
Ошибка! Закладка не определена. мГн.
Для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания дроссель не требуется.
удовлетворяет данному условию.
5. РАСЧЁТ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Расчёт механических характеристик мы произвели в специальной расчётной программе.
Для расчёта нам необходимо знать значения:
1) 
В – действующее значение линейного напряжения
2) 
– max ток, до которого будем считать
3) 
=106,8 мОм – эквивалентное
активное сопротивление якорной цепи
4) 
=2,496 мГн- индуктивное сопротивление якорной цепи
5) 
– индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы токоограничивающего реактора
6) p = 6 – пульсность схемы преобразователя
7) 
–коэффициент двигателя,
где падение напряжения на щеточных контактах двигателя 
8) 
649,536 Нм – электромагнитный момент номинальный
9) 
-максимальный эл.магн. момент
В результате получили данные, с помощью которых построили механические характеристики режимов РПТ и РНТ (рисунки 2 и 3).
| Рисунок 3. Механические характеристики РПТ |
| Рисунок 4. Механические характеристики РНТ |
Характеристика ограничена углами в 15º и 145º, так как иначе это привело бы к опрокидыванию преобразователя, что может привести к аварии.
Также были рассчитаны регулировочная и фазовая характеристика, соответственно рисунок 5 и рисунок 6.
,где 
-амплитуда развертывающего напряжения.
Таблица 2. Регулировочные и фазовые характеристики
Класс вентиля что показывает
Общие сведения. Основным элементом всех преобразователей является вентиль — прибор, который пропускает ток только в одном направлении. В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вентили — диоды, которые начинают сразу проводить ток, как только к ним прикладывают напряжение, действующее в проводящем направлении. В преобразователях, предназначенных не только для выпрямления, но и для регулирования выпрямленного напряжения и инвертирования, используют полупроводниковые управляемые вентили — тиристоры.
Для изготовления полупроводниковых приборов используют германий, кремний, селен и другие материалы. Для силовых вентилей, используемых на электро-
подвижном составе, в качестве исходного материала применяют кремний. В природе кремний является одним из наиболее распространенных элементов (после кислорода он занимает второе место). В состав земной коры входит около 28% окислов кремния, однако кремний в свободном виде (как, например, золото, платина и т. п.) никогда не встречается.
Получение чистого монокристаллического кремния, так же как и образование в нем необходимой концентрации специальных примесей, представляет собой сложную техническую задачу. Кристаллический кремний — химический элемент серого цвета с удельным весом 2,4 г/см3, температурой плавления 1420 °С и удельным сопротивлением 1200 Ом • см. Кремний, как и все подобные вещества, имеет кристаллическое строение, для которого характерно упорядоченное расположение атомов в пространстве. Атомы в кристаллах размещены на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя кристаллическую решетку. В абсолютно чистом кристалле кремния свободных электронов нет и он не обладает электропроводностью, т. е. имеет свойства изолятора. При нагревании кристалла увеличиваются колебания атомов и связи между атомами в кристаллической решетке могут быть нарушены.
Электроны, потерявшие связь с ядром, становятся подвижными и начинают беспорядочно перемещаться в объеме кристалла. При приложении к кристаллу электрического поля хаотическое движение носителей зарядов прекращается, движение электронов становится упорядоченным и направленным вдоль линий поля. Электропроводность, характеризуемая движением равного в единице объема количества электронов и «дырок», называют собственной. Собственная электропроводность сравнительно мала и при обычной температуре не может обеспечить большие токи.
Существенное влияние на электрические свойства кремния оказывают примеси других веществ. Свободные электроны примесных атомов сильно увеличивают электропроводность кристалла кремния.
Если соединить два полупроводника с различными типами проводимости, то на их границе образуется так называемый электронно-дырочный переход, или сокращенно р-я-переход (рис. 113).
На границе раздела имеет место скопление пространственных электрических зарядов разных знаков, создающих электрическое поле, направленное от п-об-ласти к р-области. Это поле имеет определенную напряженность £пер и создает между двумя полупроводниками разность потенциалов UnQp.
Поле препятствует дальнейшему переходу (диффузии) основных носителей электричества из одной области полупроводника в другую, т. е. образует барьер, называемый потенциальным. Если к р-л-переходу подключить внешнее напряжение так, что плюс источника подключен к полупроводнику с проводимостью п-типа, а минус — к полупроводнику с проводимостью р-типа, то к переходу прикладывается обратное напряжение или, другими словами, р-я-переход включен в обратном направлении.
Рис. 113. Включение электронно-дырочного перехода в прямом (а) и обратном (б) направлениях
Создаваемое в этом случае в полупроводнике внешнее поле £,,„ (рис. 113, а) имеет направление, одинаковое с направлением внутреннего поля £„ор. При приложении к р-п-переходу прямого напряжения (плюс — у р-области, а минус — у и-области) внешнее электрическое поле Ет, будет направлено навстречу внутреннему полю (рис. 113,6). Поэтому действие внутреннего поля будет ослабляться внешним полем, и основные носители заряда получают возможность свободно проходить через р-п-переход.
Таким образом, электронно-дырочный переход обладает выпрямляющими свойствами: пропускает ток в одном направлении и препятствует его прохождению в другом. Иначе говоря, он обладает односторонней проводимостью, т. е. может быть использован в качестве электрического вентиля.
Выпрямляющие свойства электронно-дырочного перехода характеризует его вольт-амперная характеристика (рис. 114), представляющая собой графическую зависимость тока, проходящего через вентиль, от приложенного напряжения. Вольт-амперная характеристика определяет основные параметры вентиля.
Силовые неуправляемые кремниевые вентили характеризуются высокой проводимостью в прямом направлении и высоким запирающим обратным напряжением (до 2000 и более В) при незначительных токах утечки (до 5 мА). Процесс технического совершенствования кремниевых выпрямителей далеко не завершен.
Продолжается повышение технических показателей и экономической эффективности. Появившиеся впервые в 1957—1958 гг. кремниевые управляемые вентили (тиристоры) открывают новые возможности совершенствования электроподвижного состава как переменного, так и постоянного тока. Управляемые вентили способны запирать ток в прямом и обратном направлении, если на вентиль не подается сигнал управления, и пропускать ток при весьма малом падении напряжения на вентиле в прямом направлении, если вентиль открыт управляющим сигналом.
Рис. 1 14. Вольт-амперная характеристика р-н-перехода при низкой (/) и высокой (2) температуре
Управляемые вентили позволяют создать выпрямительные установки с плавным регулированием выпрямленного напряжения, осуществить преобразование постоянного тока высокого напряжения в низкое, получить переменный ток регулируемой частоты и напряжения для питания двигателей переменного тока.
Создание отечественной промышленностью неуправляемых лавинных вентилей, симметричных управляемых и полностью управляемых вентилей позволяет создавать принципиально новые схемы преобразователей энергии и бесконтактную коммутационную и защитную аппаратуру.
Кремниевые вентили. Основой выпрямительного элемента силового вентиля служит круглая пластина из сверхчистого монокристаллического кремния, обладающего электронной проводимостью. Пластинка кремния имеет толщину около 0,5 мм и диаметр в зависимости от величины тока. Для вентилей, рассчитанных на ток 200 А, диаметр пластинки 25—30 мм (из расчета удельной плотности тока 0,5—1,0 А/мм2).
Для получения p-n-перехода круглые пластинки кремния шлифуют, поверхности их тщательно очищают и затем выдерживают при высокой температуре в присутствии акцепторной или донорной примеси. В результате диффузии примесей в кремний р-га-переход образуется с обеих сторон пластинки, но с одной стороны его затем удаляют шлифовкой.
Боковую поверхность пластинки обрабатывают на конус (рис. 115) для увеличения длины поверхности между контактными шайбами, где будет приложено полное напряжение. В качестве электродов выпрямительного элемента используются никелированные вольфрамовые или молибденовые диски /, припаиваемые припоем 2 с двух сторон к кремниевой пластинке 3. Вольфрам и молибден имеют температурный коэффициент расширения почти такой же, как у кремния. Поэтому, при нагревании и охлаждении кремниевой пластинки ее размеры изменяются так же, как вольфрамовых (или молибденовых) дисков. Этим обеспечивается разгрузка кристалла от механических усилий, возникающих при нагревании вентиля в месте соединения выпрямительного элемента с основанием, изготовленным из меди, имеющей больший коэффициент линейного расширения. На рис. 116 представлена конструкция вентиля штыревого типа.
Выпрямительный элемент 2 с контактными шайбами припаивают к массивному медному основанию /. Основание является токоведущим элементом цепи вентиля и, кроме того, служит для отвода тепла, выделяющегося в элементе при прохождении электрического тока.
Медное основание в нижней части имеет хвостовик 8 с резьбой для крепления вентиля в охладителе. Сверху в основание завальцован стальной цилиндрический корпус 4, защищающий выпрямительный элемент от попадания влаги и пыли, которые могут резко ухудшить характеристики вентиля.
К верхнему электроду элемента припаяна гибкая вставка 3 из медного кабеля, выходящая наружу сквозь изоляционную втулку 5 из свинцового стекла, укрепленную в верхней части стального корпуса. Наружный конец гибкого вывода 6, являющегося одним из электродов вентиля, снабжен стандартным наконечником 7 для включения вентиля в схему.
Направление тока в вентиле (от верхнего гибкого вывода к основанию или, наоборот, от основания к выводу) указывают значком на корпусе вентиля.
Вентили для эффективного охлаждения снабжены охладителями, изготовляемыми из алюминия и алюминиевых сплавов (силумина). Алюминиевые охладители (рис. 117) изготавливают методом протяжки через фильтры. (профилированный алюминий), силуминовые — методом литья под давлением. Охладители имеют массивное основание с отверстиями для сборки комплекта вентилей и перпендикулярно расположенные ребра для увеличения поверхности охлаждения.
Чтобы электрическое и тепловое сопротивления были наименьшими, необходимо обеспечить плотный контакт и контактирующую поверхность не менее 95% поверхностей соприкосновения основания вентиля и охладителя.
Для отвода тока от вентиля, а также для предотвращения коррозии контактной поверхности охладителя применяют медные токоотводящие пластины, которые прокладывают между основанием вентиля и охладителем.
При завинчивании вентилей в охладитель для снижения механических усилий на выпрямительном элементе необходимо применять специальные гаечные ключи с нормированным крутящим моментом. Например, для вентилей ВЛ-200 номинальный закручивающий момент не должен превышать 50 Н-м.
Контактные поверхности охладителей при монтаже вентилей покрывают тонким слоем смазки ЦИАТИМ-221. Плотность прилегания проверяют щупом не более 0,03 мм.
Рис. 117. Воздушный алюминиевый охладитель ОА-007
Рис. 118. Кривые напряжений, прикладываемых к вентилю:
Вентили штыревой конструкции, у которых соединение выпрямительного элемента с основанием осуществляют пайкой, подвержены старению. Старение происходит под действием термомеханических напряжений, возникающих при циклическом нагревании и охлаждении места пайки, находящегося между вольфрамовой пластиной и медным основанием — металлами с неодинаковыми коэффициентами линейного расширения. На электропоездах, работа которых отличается повышенной цикличностью, т. е. сменой режимов «тяга — выбег», процесс старения вентилей происходит интенсивнее, чем на электровозах. Большое число циклов нагревание — охлаждение в конечном итоге приводит к обрыву внутренней электрической цепи вентиля.
Указанных недостатков лишены вентили таблеточной конструкции, обладающие повышенной циклоустойчивостью. Выпрямительный элемент у них вмонтирован в герметичный металлокерамический корпус, предохраняющий его от воздействия окружающей среды. В качестве токоотводящих электродов выпрямительного элемента используют никелированные вольфрамовые пластины толщиной 1,5 мм, которые припаивают к кремниевой пластинке. Диод герметизируют холодной сваркой верхней манжеты с нижней манжетой керамического корпуса. Контактное соединение внутренних элементов вентиля осуществляется с помощью внешнего механического прижима с усилием (800—1200)9,8 Н,
На электропоездах ЭР9М в тяговой выпрямительной установке и вспомогательных цепях используют вентили В2-200, ВЛ-200. В выпрямительной установке электропоездов ЭР9Е используют таблеточные вентили типа ВЛ-7-320. Эти вентили предназначены для преобразования переменного тока промышленной частоты в условиях температуры окружающего воздуха от 50 до 140 °С, ударных сотрясений с ускорением до 120 м/с2 и длительных вибраций в диапазоне частот от 5 до 10 Гц с ускорением 50 м/с2.
Основными параметрами, характеризующими вентили, являются:
предельный ток /„ — максимально допустимое среднее за период значение тока, длительно протекающего через прибор;
повторяющееся напряжение (рис. 118) 0п — максимально допустимое мгновенное значение напряжения, прикладываемого к прибору в обратном или прямом закрытом (для тиристоров) направлении, учитывая все повторяющиеся переходные напряжения, но исключая все неповторяющиеся напряжения;
неповторяющееся напряжение (см. рис. 118) U„ — максимально допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося переходного напряжения, прикладываемого к прибору в обратном или прямом закрытом направлении; неповторяющееся напряжение может быть вызвано, например, грозовым или внутренним коммутационным перенапряжением в питающей сети;
рекомендуемое рабочее напряжение (см. рис. 118) Up — амплитудное значение напряжения синусоидальной формы, прикладываемого к прибору в обратном направлении, при отсутствии повторяющихся и неповторяющихся напряжений;
Рис. 119. Вольт-амперная характеристика вентиля (а) и его перегрузочная способность (б):
1 —обычный вентиль; 2 — лавинный вентиль
максимальное обратное напряжение 1/,аг (напряжение лавинообразования (У., для лавинных приборов) — напряжение, соответствующее области загиба обратной ветви вольт-амперной характеристики (рис. 119), когда даже при небольшом приращении напряжения резко увеличивается обратный ток;
прямое падение напряжения Д(У„Р —- среднее за период падение напряжения при токе /„;
обратный ток /обр — среднее за период значение обратного тока при Ь’и и установившейся температуре р-га-перехода 140 °С;
масса вентиля без охладителя и с типовым охладителем. Для лавинных диодов важное значение имеет допустимая энергия импульса обратного тока длительностью 100 мкс, частотой 0,3 Гц, равная 1 Дж.
В табл. 5 приведены коэффициенты для определения повторяющихся и неповторяющихся напряжений силовых полупроводниковых приборов по отношению к напряжению загиба Ь’заг (напряжению лавинообразования И’.,) и напряжению переключения для тиристоров.
В действующих в настоящее время стандартах за основной параметр по напряжению, определяющий класс прибора, принято повторяющееся напряжение Ь’п. Каждому классу прибора с нелавинной характеристикой должно соответствовать определенное значение неповторяющегося напряжения, а для приборов с лавинной характеристикой — напряжение лавинообразования (табл. 6).
Во время работы вентиля при увеличении обратного напряжения на нем выше напряжения загиба (что возможно при воздействии перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах в атмосфере и переключениях тока в силовых цепях) резко увеличивается обратный ток, обусловленный лавинообразным увеличением носителей заряда, т. е. лавинным пробоем.
Особенно опасен лавинный пробой в том случае, когда он происходит не по всей площади р-га-перехода, а в каких-то отдельных ограниченных областях. В связи с несовершенством технологии изготовления в р-га-переходе всегда имеются «слабые» участки, для которых напряжение пробоя ниже, чем для остальных участков. Через эти участки
Рис. 120. Структурная схема (а) и физические процессы (б. в. г) в транзисторе
лектор, резко уменьшая сопротивление коллекторного перехода 112 (см. рис. 120, г).
В дальнейшем «дырки» непрерывно- поступают от эмиттера к коллектору, создавая электрический ток через триод.. Таким образом, ток в цепи эмиттера и коллектора образуется за счет перемещения «дырок», которые являются основными носителями тока (см. рис. 120,6).
В цепи базы ток создается движением неосновных носителей — свободных электронов. Чем больше ток в цепи эмиттера, тем больше «дырок» инжектируется в область базы, тем ниже сопротивление коллекторного перехода и больший ток проходит в цепи коллектора. Достаточно приложить небольшое напряжение между эмиттером и базой (несколько десятых долей вольта), чтобы открыть «дыркам» путь через коллекторный переход. Следовательно, относительно малым током (напряжением) эмиттера можно получить усиленный в несколько раз ток в цепи коллектора (нагрузки).
Свойство транзисторов осуществлять усиление электрических сигналов используют в схемах устройств защиты, в схеме стабилизации напряжения зарядного агрегата и др.
Основными параметрами транзисторов являются: коэффициент усиления по току; допустимая мощность, рассеиваемая коллектором; максимальное обратное напряжение, прикладываемое к эмиттерному и коллекторному переходам; максимальный ток эмиттера и коллектора; обратный ток коллектора и диапазон рабочих температур.
Управляемые вентили (тиристоры). Основным элементом управляемых вентилей — тиристоров является кремниевая пластинка, в которой специальными технологическими методами создается четырехслойная структура с разными типами проводимости (р-п-р-п), образующими три электронно-дырочных перехода Я/, П2 и ПЗ (рис. 121, а). Структуру тиристора можно представить сочетанием двух триодов р1-п1-р2 и п1-р2-п2 (рис. 121, б), в которых слои р1 и п2 являются эмиттерными, а коллекторный переход П2 объединен.
Средние слои тиристора п1 и р2 называют базами прибора. Крайний слой р/, к которому присоединяют положительный полюс источника тока, является анодом; катодом служит крайний слой п2.
Если цепь управляющего электрода разомкнута (Д=0) и напряжения между анодом и катодом в прямом и обратном направлениях не превышают опреде-
Рис. 121. Структурная схема (а) и физические процессы (б, в, г, д) в управляемом вентиле — тиристоре
ленного уровня, то тиристор имеет большое сопротивление в прямом и обратном направлениях. При приложении к тиристору прямого напряжения переходы П1 и ПЗ включены в прямом направлении и открыты, а переход П2 включен в непроводящем направлении и заперт. При этом «дырки», инжектированные из области р/ в область га/, и электроны, поступающие из области п2 в область р2, не доходят до коллекторного перехода П2 и не оказывают влияния на его сопротивление. Через вентиль в этом случае проходит небольшой по величине прямой ток утечки
/„ (рис. 121, г). С увеличением напряжения прямой ток вентиля возрастает незначительно, так как он ограничен сопротивлением перехода П2. Этому режиму соответствует участок Оа (рис. 122) прямой ветви вольт-амперной характеристики. При увеличении прямого напряжения до величины и,кр, которую называют напряжением переключения, резко уменьшается сопротивление прибора и он переходит из закрытого состояния в открытое. При этом в структуре происходят такие же процессы, как в транзисторах. Под действием сильного электрического ПОЛЯ (в коллекторном переходе П2) «дырки», инжектированные из области р/ в базовую
Рис. 122. Вольт-амперная характеристика тиристора
область га/, быстро проходят через переход П2, втягиваются во вторую базовую область р2 и беспрепятственно проходят переход ПЗ.
Аналогично электроны, инжектированные из области п2 в область р2, проходят через переход П2, втягиваются в область га/ и далее проходят в область р/. При этом происходит лавинный пробой перехода П2, что приводит к резкому увеличению числа носителей зарядов — электронов и «дырок» и возрастанию тока до величины тока переключения — /,1ер. Ток переключения, проходя через открытые переходы Я/ и ПЗ, вызывает дополнительную инжекцию «дырок» из области р/ в область п! и электронов из области п2 в область р2, что еще больше увеличивает ток через переход П2.
С увеличением тока в вентиле напряжение на нем падает до значения суммарного падения напряжения на всех переходах, и далее он имеет характеристику неуправляемого вентиля. Процесс открытия тиристора соответствует участку аб вольт-амперной характеристики.
Участок бв аналогичен вольт-амперной характеристике неуправляемого вентиля.
При снижении тока тиристора до значения, меньшего тока удержания /уд, тиристор переходит в закрытое состояние, так как число инжектируемых носителей зарядов оказывается недостаточным для поддержания перехода П2 в открытом состоянии.
Открытие тиристора можно осуществить также включением в цепь управляющего электрода дополнительного источника напряжения (Л (рис. 121, г?). Если на управляющий электрод подать положительный потенциал, то через переход ПЗ в прямом направлении будет проходить ток управления При этом электроны будут инжектироваться из области п2 в область р2 и суммарный ток Л, + Л превысит ток переключения. Это приведет к открытию тиристора, после чего носители электричества будут свободно переходить через все четыре области. Чем больше ток управления между слоями р2 и п2, тем при меньшем напряжении переключается тиристор. На рис. 122 пунктиром показаны характеристики для разных токов управления (ток /У2>/и). При достаточно большом токе управления /ч3 напряжение переключения снижается до значения падения напряжения на открытом тиристоре, т. е. тиристор полностью открывается и дальше работает как неуправляемый.
После того как тиристор открылся и начал проводить силовой ток, размыкание цепи управляющего электрода не влияет на прохождение силового тока, так как он удерживается в открытом состоянии прямым током.
При приложении к аноду тиристора отрицательного напряжения к переходу П2 будет приложено прямое напряжение, а к переходам Я/ и ПЗ — обратное напряжение, поэтому он будет закрыт независимо от наличия напряжения на управляющем электроде. Вольт-амперная характеристика тиристора в непроводящем направлении будет такая же, как у неуправляемого вентиля. Поэтому через тиристор проходит небольшой обратный ток /0бр, приблизительно равный обратному току закрытых переходов Я/ и ПЗ.
Включение тиристора осуществляют подачей импульса тока на его управляющий электрод. Переход тиристора из запертого в открытое состояние происходит не мгновенно, а через некоторое время, называемое временем включения, равным нескольким микросекундам. Оно зависит от крутизны нарастания тока управления, величины и характера нагрузки.
Большое значение для надежной работы тиристоров имеет также скорость нарастания тока нагрузки при включении. Скорость нарастания тока в силовых
тиристорах ограничивают значением 200 А/мкс. При большей скорости нарастания тока нагрузки могут возникнуть большие плотности тока вблизи управляющего электрода и вызвать повреждение кристалла.
Выключать тиристор в цепи постоянного тока можно уменьшением прямого тока ниже величины тока удержания, разрывом анодной цепи или специальными устройствами кратковременно создавать на аноде отрицательное напряжение. При питании от источника переменного напряжения тиристор закрывается при прохождении напряжения через нуль. Переход тиристора из проводящего в запертое состояние называют процессом выключения тиристора. Время выключения в зависимости от структуры перехода колеблется от 5 до 250 мкс.
Для тиристоров, так же как и для обычных неуправляемых вентилей, основными параметрами являются: предельный ток, прямое падение напряжения, повторяющееся, неповторяющееся и рекомендуемое рабочее напряжения, обратный ток и ток утечки. Кроме того, существует ряд дополнительных параметров: отпирающий ток управления, отпирающее напряжение, время включения и выключения, критическая скорость нарастания прямого напряжения, критическая скорость нарастания прямого тока и др.
Промышленность серийно выпускает несколько типов тиристоров штыревых и таблеточных с различными параметрами. Маркировка тиристоров несколько отличается от маркировки диодов. Например, обозначение тиристора Т-320-8-111 означает: тиристор циклоустойчивый таблеточного типа с предельным током 320 А,8-го класса, I группа по критической скорости нарастания прямого напряжения (20 В/мкс); I группа по времени выключения (не более 250 мкс) и I группа по критической скорости нарастания прямого тока (не более 20 А/мкс).
Управляемые вентили конструктивно сходны с неуправляемыми. Отличие их состоит в том, что они, кроме силового, имеют еще дополнительный вывод от управляющего электрода 8 (рис. 123). В мощных тиристорах общая толщина кремниевой пластинки не превышает 0,35 мм. Диаметр ее в зависимости от пропускаемого тока имеет различную величину.
В последние годы промышленностью освоены конструкции вентилей таблеточного типа (рис. 124). Вентильный элементе таких конструкциях расположен между двумя вольфрамовыми дисками, которые соединены с контактными поверхностями не пайкой, а с помощью пружинящих шайб или внешнего прижима. Применение пружинящих шайб повышает цикло-устойчивость вентилей при переменных токовых нагрузках.
Последовательное и параллельное соединение силовых полупроводниковых вентилей. Применяемые в выпрямительных установках электропоездов вентили могут пропускать ток до 320 А и работать при напряжении 600—1600 В. Тяговые двигатели работают при большем напряжении и потребляют большие токи.
Чтобы выпрямительная установка могла питать тяговые двигатели, приходится вентили в ней соединять параллельно и последовательно. При последовательном соединении нескольких вентилей обратное напряжение будет распреде-
Рис. 124. Тиристор Т320
ляться пропорционально величине обратного сопротивления вентилей.
Сопротивление вентилей в непроводящем направлении определяется обратной ветвью вольт-амперной характеристики. Поскольку вентили имеют неодинаковые характеристики, то и обратное напряжение распределяется неравномерно. При некотором общем обратном токе /обр (рис. 125, а) на вентиль с большей величиной обратного сопротивления
приходится большая величина обратного напряжения которая при боль-
шом расхождении характеристик может даже превысить напряжение загиба и привести к выходу вентиля из строя. Для равномерного распределения обратного напряжения по последовательно соединенным вентилям каждый вентиль шунтируют резистором /сш (рис. 126, а ). Величина сопротивлений резисторов одинакова, поэтому они образуют делитель напряжения, который делит приложенное к вентилям обратное напряжение на равные части независимо от внутренних сопротивлений отдельных вентилей.
В прямом направлении вентили также имеют различные характеристики (рис. 125, б), и распределение тока между вентилями оказывается неравномерным: через вентиль, имеющий меньшее падение напряжения, протекает больший ток. Так, при параллельном соединении вентилей В1 и В2 напряжение Л(УВ, приложенное к вентилям в прямом направлении, одинаково, а токи в вентилях разные.
Ток /|, проходящий через вентиль В1, больше тока /2 в вентиле В2. Такая-неравномерность в распределении тока нагрузки приводит к перегреву одной ветви вентилей и недогрузке другой. Для равномерного распределения тока между параллельно соединенными ветвями подбирают вентили с близкими значениями прямого падения напряжения, т. е. одной группы.
Работу вентиля характеризуют двумя режимами: когда он открыт, т. е. пропускает рабочий ток с небольшим падением напряжения (рис. 127), и когда он
Рис. 127. Пик перенапряжения при ком мутации вентиля
заперт, т. е. когда к вентилю приложено обратное напряжение, под действием которого протекает небольшой по величине обратный ток. В момент времени, когда вентиль переходит из открытого состояния в запертое, вентиль пропускает обратный ток, величина которого значительно превосходит величину обратного тока установившегося режима (1„6р на рис. 127). Этот пик обратного тока спадает так быстро, что вызывает пик перенапряжений, величина которого в 2—3 раза превышает величину максимального обратного напряжения. Такие пики перенапряжений возникают с повторяемостью 50 раз в секунду, т. е. каждый раз, когда вентиль переходит из проводящего состояния в запертое.
Для защиты от коммутационных перенапряжений к штыревым вентилям обычно подключают контуры (рис. 126, б). Для сокращения количества шунтирующих элементов можно резисторы и контуры ЯС одной ветви использовать для вентилей остальных параллельных ветвей, установив поперечные соединения в виде малоомных резисторов связи /?с. Такие резисторы связи как бы распространяют выравнивающее действие резисторов /?ш и защитные действия контуров ЯС на все параллельно соединенные вентили. В то же время /. способствуют равномерному распределению тока между вентилями.
Применение лавинных вентилей позволяет выполнить выпрямительные установки без вспомогательных элементов. Лавинные вентили способны надежно работать при напряжениях, близких к напряжениям загиба обратных вольт-амперных характеристик. Поэтому можно отказаться от принудительного распределения обратного напряжения с помощью резисторов
Благодаря равномерному распределению обратного тока по всей площади р-п-перехода лавинные вентили не повреждаются коммутационными перенапряжениями, возникающими в конце токопроводящей части периода. Поэтому отпала необходимость в защите лавинных вентилей от таких перенапряжений, и в выпрямительных установках контуры /?С, как правило, не используются.
Число последовательно соединенных вентилей рассчитывают по максимально возможному обратному напряжению, которое может быть при наибольшем напряжении в контактной сети (29 кВ) и высшей ступени регулирования. К расчетному количеству дополнительно прибавляют один вентиль для повышения надежности в случае пробоя одного вентиля в плече. Число параллельно включенных вентилей определяют по наибольшему (пусковому) току тяговых двигателей. Ток в каждой ветви не должен превышать номинальный ток вентиля.
