Полупроводниковые приборы

Наиболее широкое применение на ЭПС находят тяговые дви­гатели постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, пульсирующий) на электровозах перемен­ного тока устанавливают выпрямители, в которых используют по­лупроводниковые приборы. Принцип действия этих приборов ос­нован на их свойстве пропускать ток только в одном направле­нии.

Для изготовления полупроводниковых вентилей применяют гер­маний, кремний и другие материалы. Пластины, изготовленные из этих материалов, после введения специальных примесей име­ют слоистую структуру, в которой чередуются слои с электрон­ной и дырочной проводимостью.

В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вен­тили — диоды, которые проводят ток, когда к ним приложено напряжение в прямом (проводящем) направлении. Диоды имеют двухслойную структуру; для них характерна высокая электриче­ская проводимость в прямом направлении и низкая — в обратном.

В преобразователях, предназначенных не только для выпрям­ления, но и для регулирования выпрямленного напряжения и инвертирования (т.е. преобразования постоянного напряжения в переменное), применяют полупроводниковые управляемые вен­тили — тиристоры.

Полупроводниковые приборы подразделяют на различные типы по виду исходного материала, назначению, конструкции, мощ­ности, способу охлаждения, диапазону рабочих частот и т.д. В си­ловых цепях ЭПС используют мощные (силовые) кремниевые по­лупроводниковые приборы с принудительным воздушным охлаж­дением.

Силовые диоды способны выдерживать высокое (до 4 кВ) об­ратное (приложенное в непроводящем направлении) напряже­ние при незначительной силе тока утечки (до 5 мА). У силового диода (рис. 12.1, а) наружный конец гибкого вывода является од­ним из электродов вентиля; на него насажен стандартный нако­нечник для включения прибора в схему. Положительный электрод называется анодом, а отрицательный — катодом. Направление тока в вентиле (от верхнего гибкого вывода к основанию или, наобо­рот, от основания к выводу) указывают значком на его корпусе. Радиатор имеет массивное основание и ребра, увеличивающие поверхность теплоотдачи.

Основной для полупроводниковых вентилей является вольт-амперная характеристика — зависимость силы тока, проходящего через прибор в прямом и обратном направлениях, от приложен­ного напряжения (рис. 12.1, б).

При прохождении прямого тока I_пр через вентиль в нем проис­ходит падение напряжения (прямое падение напряжения U_пр) на внутреннем электрическом сопротивлении, и возникают потери энергии в виде теплоты. Поэтому ток, проходящий через диод в прямом направлении, ограничивается допустимой температурой нагрева полупроводниковой структуры и условиями охлаждения. Современные силовые диоды с воздушным охлаждением рассчи­таны на предельную силу прямого тока до 1,6 кА.

При включении диода в непроводящем направлении сила тока I_обр с увеличением обратного напряжения U_обр медленно возра­стает. Затем по достижении предельного напряжения U_max насту­пает пробой вентиля, и он утрачивает свои запирающие свойства. Поэтому напряжение, приложенное к вентилю, должно быть мень­ше значения, при котором происходит его пробой.

Вентили рассчитывают на определенное обратное номиналь­ное (повторяющееся) напряжение U_ном, при котором завод-изго­товитель гарантирует их длительную работу без пробоя.

В соответствии с номинальным напряжением вентили подразде­ляют на классы. Значение номинального напряжения, деленное на 100, условно означает класс вентиля. Например, кремниевый вен­тиль 8-го класса имеет номинальное напряжение 8х 100 = 800 В. Очевидно, что при повышении класса вентиля его стоимость воз­растает. На электровозах устанавливают вентили не ниже 8-го класса. Для того чтобы приложенное напряжение не превысило предель­ное значение, вентили выбирают с соответствующим запасом напряжения.

Устанавливаемые на современных отечественных электровозах полупроводниковые вентили могут кратковременно, без повреж­дения, пропускать в прямом направлении ток силой более 1 кА, но не выдерживают обратного тока силой 1 А. Это связано с тем, что прямой ток, как и выделяющаяся при его прохождении теп­лота, распределяются равномерно по всему объему полупровод­ника.

Обратный же ток проходит лишь по отдельным небольшим ка­налам. Поэтому в некоторых точках может выделяться значитель­ное количество теплоты, достаточное для пробоя вентиля.

С учетом данного обстоятельства кремниевые пластины венти­лей в настоящее время изготавливают по особой технологии. Это обеспечивает прохождение обратного тока равномерно по всему объему пластины, что уменьшает вероятность се перегрева и про­боя. Такие вентили, получившие название лавинных, широко при­меняются на электровозах.

Силовые тиристоры, также используемые на ЭПС, способны находиться в закрытом состоянии в случае приложения к ним как прямого, так и обратного напряжений, если на вентиль не пода­ется сигнал управления, и пропускать ток при весьма малом па­дении напряжения в прямом направлении, если прибор открыт управляющим сигналом.

После того как тиристор откроется, он продолжает работать независимо от того, поступает сигнал на его управляющий вывод или нет. Закрыть его можно, только уменьшив силу прямого тока почти до нуля. Тиристоры имеют более сложную, чем у диодов, четырехслойную структуру, обеспечивающую указанные свойства.

Управляемые вентили (штыревые и др.) конструктивно сход­ны с неуправляемыми. Их отличие состоит в том, что кроме сило­вого (гибкого) они имеют дополнительный вывод в корпусе от управляющего электрода. В мощных тиристорах толщина кремни­евой пластины, находящейся в корпусе полупроводникового при­бора, не превышает 0,35 мм. Ее диаметр зависит от силы пропус­каемого тока.

Широкое распространение получили тиристоры (рис. 12.2, а) и диоды таблеточного типа, так как у них по сравнению со шты­ревыми полупроводниковыми приборами существенно увеличена поверхность охлаждения, улучшена теплоотдача и повышена стой­кость к перегрузкам. Таблеточные тиристоры и диоды зажимают контактными поверхностями, представляющими собой анодный и катодный электроды прибора, между двумя изолированными друг от друга радиаторами.

Участок ОА вольт-амперной характеристики (рис. 12.2, б) со­ответствует закрытому состоянию тиристора в случае приложения к нему прямого напряжения. Если оно превысит напряжение вклю­чения, то тиристор перейдет в открытое состояние (участок АБ), хотя и не будет импульса тока на управляющем электроде. Участ­ки БВ и ОГ вольт-амперной характеристики тиристора аналогич­ны прямой и обратной ветвям характеристики диода. Участок БО соответствует лавинообразному переходу тиристора из открытого состояния в закрытое по достижении некоторой минимальной силы прямого тока (менее 1 А).

Напряжение включения можно значительно снизить, если на управляющий электрод подать импульс тока. Очевидно, что тири­сторы должны выдерживать в закрытом состоянии не только об­ратное напряжение, но и прямое. Переход тиристора в открытое состояние должен происходить только при наличии импульса тока, в цепи управления.

Для тиристоров, как и для диодов, основными параметрами являются предельная сила прямого тока, обратное номинальное напряжение, прямое падение напряжения и сила обратного тока утечки. Кроме того, существует ряд дополнительных параметров: прямое номинальное напряжение, сила тока управления, напря­жение управления, время включения и выключения и др.

Обозначения тиристоров и диодов расшифровываются следую­щим образом. Например, в марке ДЛ123-320-20 буквы и цифры означают: Д — диод; Л — лавинный; 123 — группа цифр, харак­теризующих модификацию прибора, условный диаметр и конст­руктивное исполнение корпуса; 320 — предельная сила тока, А; 20 — класс вентиля. В марке Т253-1250-16 буква Т означает тири­стор, а цифры расшифровываются так же, как в обозначении диода.