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 Iпр через вентиль в нем происходит падение напряжения (прямое падение напряжения Uпр) 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 Iобр с увеличением обратного напряжения Uобр медленно возрастает. Затем по достижении предельного напряжения Umax 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 Uном, 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.
Дата добавления: 2021-10-28; просмотров: 355;