Полупроводниковые приборы

Как уже было отмечено, наибольшее применение на электроподвижном составе нашли тяговые двигатели постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, пульсирующий) на электровозах переменного тока устанавливают выпрямители. В выпрямителях используют полупроводниковые приборы. Принцип действия этих приборов основан на их свойстве пропускать ток только в одном направлении.
Для изготовления полупроводниковых вентилей используют германий, кремний, селен и другие материалы. Пластины, изготовленные из этих материалов, после внесения специальных примесей имеют слоистую структуру, в которой чередуются проводимости различных типов — электронная (n) и дырочная (р).
В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вентили — диоды, которые начинают проводить ток, как только к ним прикладывают напряжение, действующее в проводящем направлении. Диоды имеют двухслойную р-n-p-структуру, для них характерна высокая 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) используют полупроводниковые управляемые вентили — тиристоры.
Полупроводниковые приборы подразделяют на различные типы по исходному материалу, назначению, конструкции, мощности, виду охлаждения, диапазону рабочих частот и т. д. В силовых цепях электроподвижного состава используют мощные (силовые) кремниевые полупроводниковые приборы с принудительным воздушным охлаждением.
Силовые диоды способны выдерживать высокое (до 4000 В) обратное (прикладываемое в непроводящем направлении) напряжение при незначительных токах утечки (до 5 мА).

Рис. 59 Общий вид диода штыревой конструкции (а)
и его вольт-амперная характеристика (б)

У силового диода (рис. 59, 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 корпусе вентиля. Охладители имеют массивное основание и ребра, увеличивающие поверхность охлаждения.
Основной для полупроводниковых вентилей является вольт-амперная характеристика (ВАХ), показывающая зависимость тока, проходящего через прибор в прямом Iпр и обратном Iобр направлении от соответствующего напряжения (рис. 59, б).
При прохождении прямого тока через вентиль в нем вследствие внутреннего электрического сопротивления происходит падение напряжения (прямое падение напряжения) и возникают потери энергии, которые выделяются в виде тепла. Поэтому ток Iпр, проходящий через диод в прямом (проводящем) направлении, ограничивается допустимой температурой нагрева полупроводниковой структуры и условиями охлаждения. Современные силовые диоды с воздушным охлаждением рассчитаны на предельные прямые токи до 1600 А.
При включении диода в непроводящем направлении ток Iобр с увеличением обратного напряжения Uобр возрастает медленно. Затем при достижении предельного напряжения Umax наступает пробой вентиля, т. е. он теряет свои запирающие свойства. Поэтому напряжение, подводимое к вентилю, должно быть меньше значения Umax, при котором происходит пробой.
Вентили рассчитывают на определенное обратное номинальное напряжение (повторяющееся напряжение), при котором завод-изготовитель гарантирует их длительную работу без пробоя.
В зависимости от номинального напряжения Uном вентили подразделяют на классы. Величина Uном/100 означает класс вентиля. Например, кремниевый вентиль 8-го класса имеет повторяющееся напряжение
8 * 100 = 800 В. Вполне понятно, что чем выше класс вентиля, тем больше его стоимость. На электровозах устанавливают вентили не ниже 8-го класса.
Для того чтобы напряжение, приложенное к вентилю, не могло превысить предельного значения, вентили выбирают с соответствующим запасом.
Устанавливаемые на современных отечественных электровозах полупроводниковые вентили могут кратковременно пропускать в прямом направлении ток более 1000 А, не повреждаясь при этом, но не выдерживают обратного тока даже 1 А. Это объясняется тем, что прямой ток, как и выделяемое при прохождении его тепло, распределяется равномерно по всей площади структуры полупроводника. Обратный же ток проходит не по всей поверхности, а по отдельным небольшим каналам. Поэтому в отдельных точках выделяется значительное количество тепла, что способствует пробою вентиля.
Учитывая это, кремниевые пластины вентилей стали изготовлять по особой технологии. Это позволило обеспечить прохождение обратного тока равномерно по всей поверхности пластины, что снизило вероятность его недопустимого нагрева и пробоя. Такие вентили получили название лавинных. Их широко применяют на электровозах.
Силовые тиристоры, широко применяемые на электроподвижном составе, способны находиться в закрытом состоянии в случае приложения к ним как прямого, так и обратного напряжения, 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 или нет сигнал на его управляющий вывод. Закрыть его можно только уменьшив прямой ток практически до нуля. Тиристоры имеют более сложную, четырехслойную р-n-р-n-структуру, обеспечивающую эти свойства.
Управляемые вентили (штыревые и др.) конструктивно сходны с неуправляемыми (см. рис. 59, а). Отличие их состоит в том, что они, кроме силового (гибкого), имеют еще дополнительный вывод в корпусе от управляющего электрода, В мощных тиристорах толщина кремниевой пластинки, находящейся внутри корпуса полупроводникового прибора, не превышает 0,35 мм. Диаметр ее зависит от пропускаемого тока.
Широкое распространение получили тиристоры (рис. 60, а) и диоды таблеточного типа, так как у них по сравнению со штыревыми существенно увеличена поверхность охлаждения, улучшен теплоотвод и выше стойкость к перегрузкам.

Рис.60 Общий вид тиристора таблеточной конструкции

Таблеточные тиристоры и диоды зажимают контактными поверхностями, представляющими собой анодный и ка-
тодный электроды прибора, между двумя половинками охладителей, которые изолированы друг от друга.
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: предельный прямой ток, обратное повторяющееся напряжение, прямое падение напряжения, обратный ток утечки. Кроме того, существует ряд дополнительных параметров: прямое повторяющееся напряжение, ток управления, напряжение управления, время включения и выключения, а также ряд других пара­метров.
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 — предельный ток, А; 20 — класс вентиля. В марке Т253-1250-16 буква «Т» означает тиристор, а цифры расшифровываются так же, как в обозначении диода.