Файл: Маринов, И. А. Устройство и эксплуатация преобразовательных подстанций городского электротранспорта учеб. пособие.pdf

коммутационные перенапряжения, особенно при наличии индуктив­ ности в цепи нагрузки. Длительность этого процесса обычно изме­ ряется микросекундами и не влияет на работу вентилей, но для большей надежности, для подавления этих перенапряжений, при­ меняется специальная защита, состоящая из последовательно сое­ диненных между собой конденсатора и резистора, включаемых па­ раллельно каждому вентилю.

Электрический пробой может иметь лавинный характер, возни­ кающий вследствие того, что неосновные носители при нарастании напряжения на р •— «-переходе, приобретают скорость, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомами кристалла выбивать из них электроны и образовывать новые пары (электрон-дырку), т. е. ионизировать атомы кристалла. Полученная пара, в свою очередь, также способна ионизировать атомы. В итоге происходит быстрое, лавинного характера, образование зарядов и резкое возрастание тока в р — «-переходе.

Вентильные свойства полупроводниковых приборов после элек­ трического пробоя могут восстановиться, если электрический про­ бой не переходит в тепловой. Если импульсы обратного тока при перенапряжениях малы и длительность их протекания не превыша­ ет 10—20 мксек, то при снижении напряжения вентильные свойст­ ва полупроводниковых приборов, как правило, восстанавливаются.

У полупроводниковых приборов может быть еще поверхностный электрический пробой в местах выхода р — «-перехода на поверх­ ность полупроводника. Поверхностный пробой происходит вследст­ вие увеличения напряженности поля зарядами, имеющимися на по­ верхности полупроводника, или (вследствие неудовлетворительной диэлектрической среды у поверхности полупроводника — при попа­ дании на поверхность влаги или загрязнения. Поверхностный про­ бой предотвращается конструктивным исполнением вентилей —• герметизацией р — «-перехода, покрытием его защитными покро­ вами, а также соответствующей геометрической формой перехода.

Для уменьшения вероятности пробоя вентилей, увеличения на­ дежности и длительности их работы, промышленностью был освоен выпуск вентилей с лавинной обратной характеристикой (лавинные вентили).

Лавинные вентили изготовляют из монокристалла полупровод­ ника с высокой однородностью структуры и близкими по величине удельными сопротивлениями отдельных участков поверхности р — «-перехода.

Благодаря указанным качествам монокристалла, обратный ток распределяется равномерно по площади р — «-перехода (а не по ограниченному числу микроканалов, как у обычных вентилей), и, следовательно, нагревает переход равномерно по всему сечению, что позволяет пропустить через вентиль более значительную обрат­ ную мощность, не вызывая чрезмерного нагрева и теплового пробоя.

Кроме того, р —■«-переход у лавинных вентилей имеет ступенча­ тую форму (рис. 113) с центральной круговой (а) и перифериче­ ской кольцевой (б) частью. Кольцевая часть выполняется с мень­

156

шей концентрацией акцепторных примесей (примесей элементов 3-ей труппы), чем в круговой части, и косым срезом по его наруж­ ной поверхности. Небольшая концентрация акцепторных примесей создает меньшую напряженность электрического поля в кольцевой части и в случае электрического пробоя он происходит в объеме круговой части р — я-перехода, который по своим размерам может рассеивать значительную мощность. При обратимом лавинном про­ бое через вентиль кратковременно протекает большой обратный ток, ограничивающий воспринимаемое вентилем напряжение.

сколькими р — я-переходами.

Трехслойный полупроводниковый вентиль, имеющий кристалл с двумя р — я-переходами, называется транзистором (это полупро-

Рис. 114. Структурные схемы транзисторов и их условные обозначения (нижний ряд):

а — типа р — п — р, б —типа п — р — п, Э — эмиттер, Б —база, К —коллектор

водниковый триод). Один р ■—■я-переход у транзистора является вентильным, а другой — управляющим (рис. 114). Обычно у тран­ зисторов крайние области обладают проводимостью одного типа, а средняя область — противоположного типа (структура р — я — р или я — р — я). Каждая область выполняет те же функции, что и электроды в ламповом триоде. Средняя область называется базой и выполняет функции управляющего' электрода. Одна из наружных областей называется эмиттером (эмиттирует заряды) и выполняет

157

функции катода, другая наружная область — коллектором и вы­ полняет функции анода. Эмиттер связан с базой цепью управления.

Силовой полупроводниковый вентиль имеющий четырехслойную структуру с тремя р — n-переходами (структура р — п — р — п) называется тиристором.

Управляемый тиристор (рис. 115) имеет два силовых вывода: анодный вывод от слоя р\ и катодный вывод от слоя « 2 и вывод уп­ равления от внутреннего слоя рг (электрод управления).

Рис. 115. Структурная схема (а) и условное обозначение (б) тиристора:

А — анод, К —катод, i y —ток в цепи управления, ЭУ — электрод управления

Рис. 116. Вольтамперная характеристика управ­ ляемого тиристора

Тиристор закрыт при положительном потенциале на катоде, при положительном потенциале на аноде и отсутствии тока в цепи уп­ равления (iy).

При подаче положительного потенциала на анод и электрод управления тиристор открывается, и от анода к катоду протекает прямой ток.

На рис. 116 приведена вольтамперная характеристика управля­ емого тиристора. При отсутствии тока в цепи управления тиристор заперт, несмотря на наличие прямого напряжения между анодом и катодом (участок 1 прямой ветви характеристики). Если увеличить

158

прямое напряжение между анодом и катодом, то при определенном его значении, называемом напряжением переключения Un, происхо­ дит переход е участка 1 на участок 2 (участок с лавинообразным процессом переключения), а затем на участок 3 (рабочий участок, соответствующий открытому состоянию тиристора).

Напряжение переключения — напряжение, приложенное к тири­ стору в прямом направлении, при котором управляемый тиристор переходит из закрытого состояния в открытое при разомкнутой цепи управляющего электрода (ток в цепи электрода управления ■— iy равен нулю).

Следовательно, тиристор может открыться, и без тока в цепи управления, если к нему будет приложено в прямом направлении большое напряжение, равное или больше напряжения переключе­ ния Uа. Открытие тиристора может произойти и при быстром нара­ стании прямого напряжения. Это является большим недостатком управляемых тиристоров, для защиты от которого применяется спе­ циальное устройство, состоящее из емкостей, подключаемых па­ раллельно тиристорам.

Если в цепи управления тиристора пропустить ток, то напряже­ ние переключения снижается и переход на участок 2 происходит быстрее. При большем токе в цепи управления прямая характери­ стика спрямляется (на рис. 116 показано пунктиром /Уз) тиристор открывается как диод, участки 1 и 2 прямой ветви вольтамлерной характеристики отсутствуют, тиристор переходит на рабочий 3 уча­ сток характеристики. Такой ток в цепи управления называется

током спрямления.

Обратная ветвь вольтамлерной характеристики тиристора ана­ логична обратной ветви вольтамлерной характеристики диода.

Регулир01вание выпрямленного напряжения и тока производится сдвигом фазы импульса тока в цепи управления по отношению к фазе приложенного к тиристору рабочего напряжения, т. е. измене­ нием времени начала открытия тиристора (изменение угла отпира­ ния а).

Прекращение протекания тока через тиристор, т. е. запирание его происходит только при переходе внешнего напряжения через ноль или отключении напряжения.

При открытии тиристора прямой ток проходит вначале не по всей площади р —- «-перехода, а вблизи электрода управления и создает высокую плотность тока и местный перегрев перехода, что может вызвать выход из строя тиристора. Для устранения этого яв­ ления в цепь тиристора включается быстронасыщающийся дрос­ сель.

Имеются также пятислойные силовые вентили с четырьмя р — п- переходами, которые называются симисторами (двухнаправленные тиристоры). Этот полупроводниковый вентиль имеет также один электрод управления и, в зависимости от потенциала, подаваемого на этот электрод, открывается в том или другом направлении. Симистор можно рассматривать как два четырехслойных тиристора, включенных параллельно и ориентированных в противоположных

159

направлениях. Симистор открывается током цепи управления и за­ крывается снятием напряжения между силовыми электродами вен­ тиля или изменением полярности этого напряжения

§ 22. КРЕМНИЕВЫ Е ВЕНТИЛИ. КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ Д А Н Н Ы Е

В силовых полупроводниковых выпрямителях преимущественно применяются кремниевые вентили, что объясняется более высокой допустимой температурой нагрева р — «-перехода по сравнению с германиевыми вентилями и, следовательно, большей допустимой плотностью тока в переходе, меньшей чувствительностью к пере­ грузкам и способностью выдерживать более высокое обратное на­ пряжение.

Получение р — «-переходов, в кремниевых вентилях, из которых компонуются выпрямители, осуществляется двумя методами: сплав­ ления и диффузионным.

Кремниевые вентили, у которых р — «-переход получен методом сплавления, имеют маркировку ВК-10, ВК-50, ВК-ЮО, ВК-200, что обозначает: вентиль кремниевый на 10, 50, 100, 200 а. Кремниевые вентили, у которых р — «-переход получен диффузионным методом, имеют маркировку ВКД-100, ВКД-200 на 100 и 200 а и ПВК-50, ПВК-100 и ПВК-200 на 50, 100 и 200 а. Лавинные вентили на ток 200 а имеют маркировку ВКЛ-200, ПВКЛ-200, ВКДЛ-200. Буква Л в маркировке обозначает, что вентиль лавинный.

По проекту нового ГОСТа неуправляемые вентили будут обозна­ чаться В и ВЛ (В — вентиль, Л — лавинный).

Тиристоры по ГОСТ—14069—68 обозначаются Т и ТЛ (Т — ти­ ристор, Л — лавинный). Прежнее обозначение: ВКДУ, ВКДУЛ.

Симисторы обозначаются ВКДУС, где С означает симметрич­ ный. Цифры, стоящие непосредственно после буквенных обозначе­ ний ВК, В, ВЛ, Т, ТЛ, обозначают номер конструктивното исполне­ ния, например: ВК-2 — диффузионного исполнения (цифра 2 заме­ няет букву Д), ВЛЗ — вентиль изготовлен в металлокерамическом корпусе, ВЛ4 — в вентиле применен жидкометаллический контакт,

Электронно-дырочный переход состоит из сверхчистого монокристаллическото кремния электронной проводимости 4. С одной сто­ роны в монокристалл кремния вплавлен алюминиевый сплав 5, а с

160