Силовые полупроводниковые приборы (СПП)
ТИРИСТОРЫ таблеточного типа

   Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

 ТРИОДНЫЕ ТИРИСТОРЫ

   Триодный тиристор (тринистор) — это тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод.

   Для переключения триодного тиристора из закрытого состояния в открытое также необходимо накопление неравновесных носителей заряда в базовых областях. В диодном тиристоре при увеличении напряжения на нем до напряжения включения это накопление неравновесных носителей заряда происходит обычно либо из-за увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы, либо из-за ударной ионизации в коллекторном переходе.

Рис. 5.5. Схематическое изображение структур триодных тиристоров
с омическим переходом между управляющим электродом и базой (а) ,
с дополнительным р-п-переходом под управляющим электродом (б)
и ВАХ триодного тиристора при различных токах ( l"_y > l'_y ; > l_y ) через управляющий электрод (в)

   В триодном тиристоре, имеющем управляющий вывод от одной из базовых областей с омическим переходом между управляющим электродом и базой (рис. 5.5, а), уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличить путем подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое в необходимый момент времени даже при небольшом анодном напряжении (рис. 5.5, в).

   Переключение триодного тиристора с помощью подачи прямого напряжения на управляющий электрод или тока через этот электрод можно представить с другой точки зрения как перевод транзисторной п-р-п-структуры в режим насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный переход тиристора) смещается в прямом направлении.
   Баланс токов в триодном тиристоре можно записать по аналогии с (5 1), но с учетом того, что через левый эмиттерный переход (рис 5 5, а) проходит сумма токов основного и управляющего:

I_a = ā₁ ( I_a + I_y ) + ā₂I_a + I_КБО   (5.6)

I_a ( I - ā₁ - ā₂ ) = I_КБО + ā₁I_y    (5.7)

   Таким образом, уравнение ВАХ триодного тиристора в закрытом состоянии:

   (5.8)

   где а₁ + а₂ < 1, а анодный ток I_а зависит от управляющего тока I_у (рис. 5 5, в).

   Условие переключения триодного тиристора из закрытого состояния в открытое можно получить аналогично условию переключения диодного тиристора, т. е. после дифференцирования и преобразований получим:

   (5.9)

   В условии переключения триодного тиристора (5.9) дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера одномерной теоретической модели первой транзисторной структуры си зависит от напряжения на коллекторном переходе, а также от основного и управляющего токов Аналогичный коэффициент второй транзисторной структуры а₂ зависит только от напряжения на коллекторе и от основного тока.

   Из формулы (5.9) видно, что напряжение включения триодного тиристора зависит от управляющего тока. Формула может быть справедлива при меньших напряжениях на аноде тиристора, если через управляющий электрод будут проходить большие значения управляющего тока в прямом направлении. Кроме того, из условия (5.9) можно сделать вывод о целесообразности осуществления управляющего вывода от тонкой базы триодного тиристора, так как управлять коэффициентом передачи тока эмиттера транзисторной структуры с тонкой базой значительно легче, чем с толстой базой.

   В открытом состоянии через тиристор проходит большой анодный ток, поэтому управляющий ток практически не оказывает влияния на участок ВАХ, соответствующий открытому состоянию триодного тиристора.

   Управляющий электрод может быть сделан не только с омическим переходом между электродом и базовой областью, но и с дополнительным p-n-переходом (рис. 5.5, б). При определенной полярности напряжения на управляющем электроде относительно катода дополнительный переход окажется смещенным в прямом направлении, через него будет происходить инжекция неосновных носителей заряда (для прилегающей базы) с последующим накоплением в другой базовой области. Такой процесс может привести к переключению триодного тиристора в открытое состояние.

   Тиристор, у которого управляющий электрод соединен с n-областью, ближайшей к катоду, и который переводится в открытое состояние при подаче на управляющий электрод отрицательного по отношению к катоду сигнала, называют тиристором с инжектирующим управляющим электродом n-типа.

   Триодный тиристор, структура которого представлена на рис. 5.5, б, можно рассматривать также как два диодных тиристора, имеющих общие анод, одну эмиттерную и обе базовые области. Структура основного тиристора выполнена с зашунтированным эмиттерным переходом. Поэтому напряжение включения основного тиристора больше, чем управляющего. При подаче отрицательного потенциала на управляющий электрод, т. е. на катод управляющего тиристора, можно переключить его из закрытого состояния в открытое. А так как обе структуры имеют общие области, то при переключении управляющего тиристора основной тиристор также окажется в открытом состоянии.

 ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА
СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

  В последние годы все более широкое применение находят силовые полупроводниковые приборы  (СПП) таблеточного типа, так как они обладают рядом особенностей, выгодно отличающих их от штыревых приборов.
   Таблеточные СПП имеют меньшую массу и габариты, симметричность конструкции позволяет сократить габариты преобразовательных установок.
   К достоинствам таблеточных СПП с точки зрения обеспечения нормального температурного режима относятся: возможность двухстороннего теплоотвода и обеспечение за счет этого высокой плотности теплового потока в кремниевом диске, а также повышенная нагревоциклостойкость, обеспечиваемая путем применения прижимных контактов.

   Рассмотрим конструкцию таблеточного прибора на примере тиристора Т500.
   Вентильный элемент, образованный сваркой кремниевого диска 1 (рисунок 1-2) с вольфрамовым термокомпенсирующим электродом 2, помещен на поверхности медной мембраны 3, которая соединена с керамическим корпусом 5.
   Второй термокомпенсирующий диск 7 из молибдена прижат к кремниевому диску медным основанием 8, связанным с корпусом посредством манжеты б. Внутри основания расположен внутренний уравляющий вывод 9, который припаян к внешнему управляющему выводу 10. Для уменьшения контактных сопротивлений используются прокладки 4.
   Электрический и тепловой контакты осуществляются посредством внешнего сжимающего усилия через мембрану и основание.

   В разработке таблеточных СПП за сравнительно короткий срок достигнуты значительные успехи как отечественной промышленностью, так и зарубежными фирмами.
   В СССР серийно выпускаются диоды с диаметром кремниевого диска 40 мм на ток 1000 А и более [21], созданы образцы диодов с диаметром кремниевого диска 102 мм.

Рисунок 1-2. Конструкция таблеточного тиристора Т500:   1 - Кремниевый диск;   2 - Термокомпенсирующий электрод из вольфрама;   3 - Медная мембрана;   4 - Прокладки;   5 - Керамический корпус;   6 - Манжета;   7 - Второй термокомпенсирующий диск из молибдена;   8 - Кремниевый диск;   9 - Внутренний управляющий вывод; 10 - Внешний управляющий вывод;

   При работе СПП в нем имеют место потери, которые преобразуются в тепловую энергию и приводят к нагреву элементов конструкции.
   Потери в СПП  можно условно разделить на основные и дополни тельные.
   Основные потери обусловлены падением напряжения на СПП при протекании прямого тока нагрузки.
   Дополнительные потери у диодов складываются из потерь от обратного тока, а также из потерь при включении и выключении (коммутационные потери). Для управляемых СПП к числу дополнительных потерь следует, кроме того, отнести потери в цепи управления и потери от прямого тока утечки.

   В большинстве низкочастотных режимов работы СПП мощность основных потерь является определяющей, так что дополнительными потерями можно пренебречь.
   Все потери выделяются в кремниевой моноструктуре, потери в остальных элементах СПП пренебрежимо малы.
   Для отвода теплового потока, обусловленного потерями, СПП необходимо охлаждать, для чего используют различные типы охладителей.

 Назначение и классификация ТИРИСТОРОВ.

   Важнейшее значение в силовой преобразовательной технике имеют приборы с многослойной полупроводниковой структурой типа р-п-р-п или п-р-п-р-п, обладающие ключевой характеристикой с двумя устойчивыми состояниями:
   - с высоким сопротивлением (закрытое состояние)
   - и низким сопротивлением (открытое состояние).
На основе многослойных полупроводниковых структур разработаны приборы на токи до нескольких тысяч ампер и на повторяющиеся напряжения до 5000 В. Такие приборы получили общее название тиристоры (от греческого слова "тира" - дверь). В тиристорах используется кремний.

   Тиристор — это полупроводниковый прибор, с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три р-п-перехода или более, который может переключаться из закрытого состояния в открытое (процесс отпирания) и из открытого состояния в закрытое (процесс запирания). Время переключения тиристоров несоизмеримо меньше времени включенного или выключенного состояния и находится в пределах от единиц до нескольких сотен микросекунд.

Рис. 2.38. Структурная схема классификации тиристоров

   Существует много разновидностей тиристоров (рис. 2.38). Основными типами являются диодные (динисторы) и триодные тиристоры. Наибольшее распространение получили простейшие однооперационные тиристоры, имеющие три электрода: анод, катод и управляющий электрод (рис. 2.39).

Рис. 2.39. Схема однооперационного тиристора (а),
график концентрации примесей (б), условное обозначение (в)
и схема кремниевой структуры (г)

   Кремниевая четырехслойная структура с различной концентрацией легирующих примесей по слоям образует два крайних (эмиттерных) р-п-перехода J₁ и J₃ и центральный (коллекторный) р-п-переход J₂.
   В исходном состоянии р-п-р-п-структура не проводит тока. Прямое смещение J₃ от управляющего электрода переводит структуру в проводящее (открытое) состояние. Обратное переключение в закрытое состояние возможно только после отключения тока анода I_А и тока управления I_G. Таким образом, в однооперационном (невыключаемом, незапираемом) тиристоре по цепи управляющего электрода осуществима только одна операция — отпирание тиристора. Запирание такого тиристора достигается по цепи анода.

   Наиболее сложным и совершенным тиристором является двухоперационный тиристор, обеспечивающий по цепи управляющего электрода отпирание и запирание. Двухоперационные тиристоры получили название выключаемых, запираемых тиристоров или GTO-тиристоров (от английских слов Gate Turn-off - выключаемый управляющим электродом).

   Важное значение имеют другие виды тиристоров: симметричные, асимметричные, реверсивно-выключаемые, полевые и т.д.

   Тиристоры подразделяются по числу выводов, способу управления и типу управляющего электрода, способу выключения, виду вольт-амперной характеристики. По виду ВАХ тиристоры делятся на непроводящие в обратном направлении, проводящие в обратном направлении, симметричные и асимметричные. Обратная ветвь ВАХ тиристора, проводящего в обратном направлении, подобна прямой ветви диода. Поэтому для таких приборов используется термин тиристор-диод. Тиристор и диод в одной полупроводниковой структуре минимизируют индуктивность соединительных связей.

   В симметричных тиристорах применяется пятислойная структура типа п-р-п-р-п. Они способны переключаться в открытое со­стояние в обоих направлениях. У асимметричных тиристоров на­пряжение пробоя в обратном направлении меньше, чем блокирующее прямое напряжение. По способу управления тиристоры делятся на обычные тиристоры, фототиристоры и оптотиристоры.
   Первые управляются внешним электрическим сигналом по управляющему электроду,
   вторые — с помощью внешнего светового сигнала,
   а третьи — с помощью внутреннего светового сигнала от светодиода, встроенного в корпус тиристора.

   Реверсивно-выключаемые тиристоры представляют собой одно- операционные тиристоры, время выключения которых существенно снижается благодаря обратному смещению управляющего перехода (J₃) в процессе запирания.

   Полевым тиристором называют переключатель мощности, состоящий из р-i-п-диода с управляющим электродом в виде сетки, кото­рая выполняет функцию, подобную изолированному затвору полево­го транзистора. Эти приборы называют также тиристорами со статической индукцией.

   Разнообразие тиристоров и их свойств предоставляют разработчи­кам широкие возможности создания современных силовых преобра­зователей электроэнергии с высокими энергетическими параметрами и разнообразными функциональными свойствами.

Конструкция и обозначения типов тиристоров.

    Силовые тиристоры выполняются штыревой и таблеточной конструкции так же, как и силовые диоды.   Для защиты p-n-p-n-структуры от поверхностного пробоя используют фаски (рисунок 2.50.

   Одноступенчатая фаска (рисунок 2.50.а) для эмиттерного перехода J₁ - обратная, а для коллекторного J₂ - прямая. В этом случае эмиттерный переход значительно лучше защищен от пробоя обратным напряжением, чем коллекторный от пробоя прямым напряжением.
   Поэтому одноступенчатая фаска применяется для относительно низковольтных тиристоров (на напряжение примерно до 1200В).

   Для высоковольтных тиристоров, как правило, применяется двухступенчатые фаски (рисунок 2.50. б). При этом угол а₁ принимается равным 30° + 45°, а угол а₂ ≈ 1,5° + 4°.
   Такая фаска используется для тиристоров напряжением примерно до 4 кВ.

   Для тиристоров на более высокие напряжения предложены фаски в форме "ласточкиного хвоста" (рисунков 2.50. в) и V-образные (рисунок 2.50. г).

   Основным достоинством фасок формы "ласточкин хвост" и V- образных является меньшая их ширина l_ф, что позволяет получить большую активную поверхность структуры при заданном диаметре кремния.

Рисунок 2.50. Фаски p-n-p-n-структуры тиристора: а - одноступенчатая; б - двухступенчатая; в - "ласточкин хвост"; г - V-образная.

   При диаметрах кремниевых структур до 16 мм их напаивают на вольфрамовые или молибденовые диски.
   Структуры диаметром более 16 мм со стороны анодного слоя сплавляются с термокомпенсатором (алюминиевая или силуминовая фольга) и собираются в корпусе с прижимными контактами к катодным слоям (рисунок 2.51.)

Рисунок 2.51. Тиристорный элемент со сплавным термокомпенсатором. Тиристорная структура 1 сплавлена с термокомпенсатором 2. Двухступенчатая фаска защищена компаундом 3. Катодные поверхности и вывод управляющего электрода  от базы р2 металлизированы алюминием 4.

   Полупроводниковые элементы силовых тиристоров монтируются в герметичные корпуса различных конструкций: штыревые с паяными или прижимными контактами и таблеточные.

   В таблеточном тиристоре (рисунок 2.53.) тиристорный элемент 1 расположен между медными основаниями 2 и 3. Между тиристорным элементом и основаниями устанавливаются прокладки из отожженного серебра толщиной 100-200 мкм (на рисунке 2.53 не показаны).
   Манжета 4 высокотемпературным припоем припаяна к керамическому изолятору 5 и к нижнему основанию2.
   Манжета 6 также высокотемпературным припоем припаяна к изолятору.
   Гибкая кольцевая мембрана 7 припаивается к верхнему основанию 3.
   Кольцо 8 из изоляционного материала центрирует тиристорный элемент и серебряные прокладки относительно основания 2.

Рисунок 2.53. Тиристор таблеточной конструкции:   1 - Тиристорный элемент;   2 - Медное основание нижнее;;   3 - Медное основание верхнее;   4 - Манжета;   5 - Керамический изолятор;   6 - Манжета;   7 - Гибкая кольцевая мембрана;   8 - Кольцо из изоляционного материала;   9 - Управляющий электрод с полусферическим наконечником; 10 - Изолятор; 11 - Пружина; 12 - Трубка керамического изолятора; 13 - Наконечник; 14 - Гибкий наружный вывод управляющего электрода; D   - ; D1 - ;

   Управляющий электрод 9 с полусферическим наконечником размещен в выемке верхнего основания, изолирован изолятором 10 и прижимается к контактной поверхности полупроводниковой структуры пружиной 11.
   Другим концом внутренний управляющий электрод 9 входит в трубку 12 керамического изолятора и сплющивается в этой трубке.
   К трубке припаивается наконечник 13, к которому крепится гибкий наружный вывод управляющего электрода 14.
   Если в тиристорной структуре применяется разветвленный управляющий электрод, то гальваническая развязка между катодным основанием и управляющим электродом обеспечивается воздушным зазором высотой примерно 15-20 мкм или серебряной прокладкой, конфигурация которой совпадает с конфигурацией катодного эмиттера тиристорной структуры.

   Необходимый прижимной контакт между тиристорным элементом и основаниями обеспечивается прижимным усилием от 8 до 24 кН при установке таблетки в охладитель.

   Силовые тиристоры, как и диоды, подразделяются на виды, подвиды, модификации и типы, а тиристоры одного типа - на классы и группы.
   Для обозначения видов тиристоров применяются следующие буквы:
   Т - тиристор;
   ТП - тиристор, проводящий в обратном направлении (параметры в обратном проводящем направлении не нормированы);
   ТД - тиристор-диод, параметры в обратном проводящем направлении нормированы;
   ТЛ - лавинный тиристор;
   ТЗ - запираемый тиристор;
   ТС - симметричный тиристор;
   ТФ - фототиристор;
   ТО - оптотиристор.

   Тиристоры с нормируемыми временами включения и выключения составляют подвиды по коммутационным параметрам:
   И - быстро включающиеся;
   Ч - быстро выключающиеся;
   Б - быстро действующие.

   Для обозначения модификации по конструктивным параметрам используется трехзначное число:
   первая цифра - номер модификации;
   вторая цифра - код размера под ключ или диаметр таблетки;
   третья цифра - код конструктивного исполнения корпуса.

   В зависимости от максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии, вида, подвида и модификации тиристоры делятся на типы.
   Тиристоры одного типа делятся на классы по числу сотен вольт повторяющегося напряжения.
   Тиристоры данного типа и класса на группы подразделяются по значениям критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, времени выключения и времени включения.
   В обозначении тиристора (рисунок 2.54) при необходимости могут также проставляться пределы по импульсному напряжению в открытом состоянии. В сетку условного буквенно-цифрового обозначения вписано обозначение тиристора ТБ453-1000-24-734.

Рисунок 2.54. Структурная схема буквенно-цифрового обозначения тиристоров.

 http://thebookdeal.com/book_212.html

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

   2. А. И. Исакеев, И. Г. Киселев, В. В. Филатов. - Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов.  - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.

   3. Бурков А.Т. - Электронная техника и преобразователи: Учебник для ВУЗов жд-транспорта. - М.: Транспорт. 1999.