eng
Выпуск #4/2014
А.Гришанин, В.Елисеев, В.Мартыненко
Мощные диоды и тиристоры для преобразовательной техники нового поколения
Мощные диоды и тиристоры для преобразовательной техники нового поколения
Просмотры: 3504
Несмотря на значительное развитие преобразовательной техники на базе униполярных и биполярных полностью управляемых полупроводниковых ключей для ряда областей применения, особенно силовой электроники, по-прежнему технически оправданным и экономически востребованным остается применение биполярных однооперационных приборов: тиристоров и диодов. В статье представлена новая продукция ОАО "Электровыпрямитель" – крупнейшего разработчика и производителя силовых полупроводниковых приборов и преобразовательных устройств на их основе.
Теги: characteristics development prospects power diodes thyristors мощные диоды перспективы развития тиристоры характеристики
ОАО "Электровыпрямитель" – динамично развивающаяся российская электротехническая компания с большим опытом в области разработок и производства силовых полупроводниковых приборов (СПП) и преобразовательной техники. За все годы существования предприятия были разработаны и внедрены в производство несколько поколений СПП, многие из которых, многократно превысив допустимые сроки службы, успешно работают и сегодня на транспорте, во многих отраслях промышленности, в электроэнергетике и военной технике. Высокий технический потенциал специалистов завода и наличие крупного полупроводникового производства позволяют ОАО "Электровыпрямитель" активно проводить новые разработки СПП и расширять ассортимент выпускаемой продукции, ориентируясь на потребности рынка и мировое развитие полупроводниковой техники. В номенклатуре завода сегодня свыше тысячи типов биполярных СПП на токи от 10 до 10000 А и напряжение от 200 до 10 000 В. Это диоды, тиристоры, симисторы и беспотенциальные модули на их основе.
Тиристоры
Высокая мощность и эксплуатационные качества СПП остаются главной задачей удовлетворения требований потребителей при создании современных преобразователей электрической энергии. Наиболее перспективный путь увеличения удельной коммутируемой мощности СПП – это дальнейшее повышение блокирующего напряжения тиристоров, которое, в свою очередь, позволяет значительно уменьшить число последовательно соединяемых приборов.
Электрофизические параметры и конструкция кремниевых структур тиристоров нового поколения гарантируют оптимальный баланс между потерями во включенном состоянии и динамическими потерями. Это особенно важно для эффективного управления максимальными мощностями на низких частотах. Современные биполярные тиристоры характеризуются высокими значениями блокирующих вольт-амперных характеристик благодаря применению радиационно-легированного кремния с малым разбросом удельного сопротивления. В ОАО "Электровыпрямитель" разработана технология получения однородных диффузионных слоев и высоких времен жизни неосновных носителей заряда в базовых областях тиристоров по всей площади кристалла диаметром до 103 мм, а также технология профилирования краевого контура с целью снижения электрических полей на поверхности кремниевой структуры.
Тиристоры имеют патентованную топологию четырехслойной структуры с внутренним усилением сигнала управления и эффективную шунтировку катодного эмиттера. Это обеспечивает быстрое и однородное включение, длительную эксплуатацию прибора при скоростях коммутации анодного тока diТ/dt ≥ 200 А/мкс и прямого напряжения dvD/dt ≥ 1 000 В/мкс.
В ОАО "Электровыпрямитель" разработан и освоен в серийном производстве широкий ряд тиристоров таблеточного исполнения на токи от 175 до 6 900 А, блокирующие напряжения от 200 до 7 400 В. Параметры некоторых новых мощных приборов из серии низкочастотных тиристоров приведены в табл.1.
Для надежной работы тиристоров в сборках с последовательным соединением очень важно также уменьшить разброс заряда обратного восстановления (QRR). С этой целью введено доводочное облучение тиристорных структур ускоренными электронами ускорителя "Электроника – У003". Он входит в состав технологической линии производства СПП ОАО "Электровыпрямитель". Энергия ускоренных электронов 5–6 МэВ и разброс плотности пучка ускоренных электронов по площади развертки не более 10% обеспечивают однородное легирование по площади и глубине кремниевых структур СПП радиационными дефектами, которые служат центрами рекомбинации для неравновесных носителей заряда. Контролируемое введение радиационных дефектов позволяет гибко управлять временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых структурах приборов и, соответственно, всей системой электрических параметров.
Фототиристоры
Анализ тенденций развития СПП показывает, что применение тиристоров, управляемых светом (фототиристоров), позволяет принимать простые и надежные схемотехнические решения в самых разнообразных областях применения: высоковольтном электроприводе, компенсаторах реактивной мощности, высоковольтных линиях передачи постоянного тока, импульсной технике. Наиболее эффективно применение фототиристоров в схемах с последовательным соединением приборов. По сравнению с обычными тиристорами фототиристоры имеют ряд преимуществ: высокую нагрузочную и перегрузочную способность; точный временной контроль включения группы приборов; высоковольтную гальваническую развязку между цепью управления и силовой схемой преобразователя, встроенные функции самозащиты от пробоя. Особо надо выделить стойкость к электромагнитным помехам, которые могут приводить к ложным включениям (особенно в системах, где неизбежны длинные кабели управления).
Фототиристоры легко управляются инфракрасным светом с оптической мощностью всего в несколько десятков милливатт, имеют отличные характеристики включения, низкие потери мощности в проводящем состоянии и при переключении.
Конструкция фототиристоров аналогична конструкции высоковольтного таблеточного тиристора, только вместо электрического управляющего вывода имеется оптический вход. Система ввода светового сигнала в корпус прибора расположена в центре катодного основания фототиристора в виде оптического окна. Оно расположено вблизи фоточувствительной области полупроводниковой структуры (рис.1).
Управляющий импульс передается в светочувствительную область кремниевой структуры фототиристора от полупроводникового инжекционного лазерного диода (ЛД) через фотоокно и оптический адаптер по оптоволоконному кабелю. Наилучшие характеристики включения тиристор имеет в диапазоне длин волн 950–1050 нм. Длина кабеля составляет от 0,5 м до 30 м, но может быть и больше, исходя из требований потребителей.
Для управления фототиристорами были разработаны лазерные излучатели, оптические драйверы на их основе и оптоволоконные кабели в комплекте с адаптерами.
Производимые сегодня в ОАО "Электровыпрямитель" СПП рассчитаны на токи до 2500 А и напряжения до 8000 В. Основные параметры высоковольтных сетевых фототиристоров, предназначенных для работы на частоте 50 Гц (60 Гц), приведены в табл.2.
Небольшой разброс таких параметров, как время задержки включения, падение напряжения в открытом состоянии, заряд обратного восстановления QRR, дает возможность использовать эти приборы в последовательных и параллельных соединениях.
По заказу возможно изготовление фототиристоров с интегрированными функциями самозащиты от пробоя, которые позволяют упростить или вообще исключить сложные и дорогие электронные схемы защиты при внешних критических воздействиях.
Диоды
В области разработки мощных неуправляемых биполярных СПП за последние годы в ОАО "Электровыпрямитель" достигнуты значительные результаты: разработана и изготовлена серия супермощных диодов с блокирующими обратными напряжениями до 10 000 В (табл.3).
Все СПП таблеточного исполнения имеют повышенную механическую прочностью, они надежно работают при воздействии номинальных вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 0,5 до 500 Гц с ускорением 100 м/с2 и при одиночных и многократных ударах с ускорением соответственно 1500 и 750 м/с2. Приборы сейсмостойкие и выдерживают землетрясения интенсивностью 9 баллов по MSK-64. По требованию заказчиков приборы могут поставляться в термодинамически устойчивых корпусах, т.е. в корпусах, имеющих защитный показатель ∫i2 dt = 13,5 · 106 А2 с и выдерживающих (не разрушаются) токи IRSCM до 75 кА. Основное направление работ сегодня в области СПП таблеточного исполнения – это увеличение коммутируемой мощности.
Одновременно ОАО "Электровыпрямитель" продолжает совершенствовать приборы штыревой и роторной конструкции. В настоящее время на заводе начался выпуск новых высоковольтных низкочастотных тиристоров и диодов штыревой конструкции на токи 200–320 А и напряжения от 2 000 до 4 400 В, диаметр полупроводникового элемента – 32 мм.
В новой конструкции тиристоров и диодов для увеличения напряжения ионизации электрических промежутков изменена конструкция изоляционной трубки и изоляционной шайбы и на периферии выпрямительного элемента специально наращивается изоляционный буртик (рис.2). В результате рабочее напряжение тиристоров и диодов увеличилось с 2 000 до 4 400 В.
Диоды штыревой конструкции изготавливаются как прямой, так и обратной полярности.
Для замены роторных диодов В6-200 паяной конструкции в пластмассовых корпусах разработано и освоено производство новых фланцевых диодов прижимной конструкции Д275-200 (рис.3). С помощью специального демпфирующего устройства центробежные нагрузки прикладываются не к полупроводниковому элементу, а к корпусу, обеспечивая надежную работу прибора в условиях больших механических нагрузок. Данные диоды предназначены для бесщеточных систем возбуждения мощных электрических машин. Эксплуатируются они в условиях длительных центробежных ускорений до 4900g (кратковременных до 6800g), направленных вдоль оси симметрии диода в сторону основания, и в условиях длительных тангенциальных ускорений 980g, действующих перпендикулярно оси диода. Электродами служат медный круглый фланец (основание) и медный трубчатый токопровод.
Благодаря совершенствованию конструкции и технологии изготовления CПП, а также введению дополнительных испытаний и диагностирования приборов, интенсивность отказов приборов (λ) достигает значения 4 · 10−8 час−1. Можно сказать, что технический уровень СПП производства ОАО "Электровыпрямитель" по основным параметрам и эксплуатационной надежности не уступает лучшим мировым аналогам. На заводе действует система менеджмента качества, сертифицированная по стандартам ГОСТ Р ИСО 9001-2008 (ISO 9001:2008), для железнодорожного транспорта РФ по НБ ЖТ ЦЛ-ЦТ 139-2003 и для оборонного заказа по ГОСТ РВ 15.002-2003 (РД В 319.015-2006). Предприятие имеет лицензии и разрешающие документы на право разработки и изготовления приборов и оборудования для атомных станций, объектов ОАО "Газпром", ОАО "ФСК ЕЭС". ⦁
Тиристоры
Высокая мощность и эксплуатационные качества СПП остаются главной задачей удовлетворения требований потребителей при создании современных преобразователей электрической энергии. Наиболее перспективный путь увеличения удельной коммутируемой мощности СПП – это дальнейшее повышение блокирующего напряжения тиристоров, которое, в свою очередь, позволяет значительно уменьшить число последовательно соединяемых приборов.
Электрофизические параметры и конструкция кремниевых структур тиристоров нового поколения гарантируют оптимальный баланс между потерями во включенном состоянии и динамическими потерями. Это особенно важно для эффективного управления максимальными мощностями на низких частотах. Современные биполярные тиристоры характеризуются высокими значениями блокирующих вольт-амперных характеристик благодаря применению радиационно-легированного кремния с малым разбросом удельного сопротивления. В ОАО "Электровыпрямитель" разработана технология получения однородных диффузионных слоев и высоких времен жизни неосновных носителей заряда в базовых областях тиристоров по всей площади кристалла диаметром до 103 мм, а также технология профилирования краевого контура с целью снижения электрических полей на поверхности кремниевой структуры.
Тиристоры имеют патентованную топологию четырехслойной структуры с внутренним усилением сигнала управления и эффективную шунтировку катодного эмиттера. Это обеспечивает быстрое и однородное включение, длительную эксплуатацию прибора при скоростях коммутации анодного тока diТ/dt ≥ 200 А/мкс и прямого напряжения dvD/dt ≥ 1 000 В/мкс.
В ОАО "Электровыпрямитель" разработан и освоен в серийном производстве широкий ряд тиристоров таблеточного исполнения на токи от 175 до 6 900 А, блокирующие напряжения от 200 до 7 400 В. Параметры некоторых новых мощных приборов из серии низкочастотных тиристоров приведены в табл.1.
Для надежной работы тиристоров в сборках с последовательным соединением очень важно также уменьшить разброс заряда обратного восстановления (QRR). С этой целью введено доводочное облучение тиристорных структур ускоренными электронами ускорителя "Электроника – У003". Он входит в состав технологической линии производства СПП ОАО "Электровыпрямитель". Энергия ускоренных электронов 5–6 МэВ и разброс плотности пучка ускоренных электронов по площади развертки не более 10% обеспечивают однородное легирование по площади и глубине кремниевых структур СПП радиационными дефектами, которые служат центрами рекомбинации для неравновесных носителей заряда. Контролируемое введение радиационных дефектов позволяет гибко управлять временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых структурах приборов и, соответственно, всей системой электрических параметров.
Фототиристоры
Анализ тенденций развития СПП показывает, что применение тиристоров, управляемых светом (фототиристоров), позволяет принимать простые и надежные схемотехнические решения в самых разнообразных областях применения: высоковольтном электроприводе, компенсаторах реактивной мощности, высоковольтных линиях передачи постоянного тока, импульсной технике. Наиболее эффективно применение фототиристоров в схемах с последовательным соединением приборов. По сравнению с обычными тиристорами фототиристоры имеют ряд преимуществ: высокую нагрузочную и перегрузочную способность; точный временной контроль включения группы приборов; высоковольтную гальваническую развязку между цепью управления и силовой схемой преобразователя, встроенные функции самозащиты от пробоя. Особо надо выделить стойкость к электромагнитным помехам, которые могут приводить к ложным включениям (особенно в системах, где неизбежны длинные кабели управления).
Фототиристоры легко управляются инфракрасным светом с оптической мощностью всего в несколько десятков милливатт, имеют отличные характеристики включения, низкие потери мощности в проводящем состоянии и при переключении.
Конструкция фототиристоров аналогична конструкции высоковольтного таблеточного тиристора, только вместо электрического управляющего вывода имеется оптический вход. Система ввода светового сигнала в корпус прибора расположена в центре катодного основания фототиристора в виде оптического окна. Оно расположено вблизи фоточувствительной области полупроводниковой структуры (рис.1).
Управляющий импульс передается в светочувствительную область кремниевой структуры фототиристора от полупроводникового инжекционного лазерного диода (ЛД) через фотоокно и оптический адаптер по оптоволоконному кабелю. Наилучшие характеристики включения тиристор имеет в диапазоне длин волн 950–1050 нм. Длина кабеля составляет от 0,5 м до 30 м, но может быть и больше, исходя из требований потребителей.
Для управления фототиристорами были разработаны лазерные излучатели, оптические драйверы на их основе и оптоволоконные кабели в комплекте с адаптерами.
Производимые сегодня в ОАО "Электровыпрямитель" СПП рассчитаны на токи до 2500 А и напряжения до 8000 В. Основные параметры высоковольтных сетевых фототиристоров, предназначенных для работы на частоте 50 Гц (60 Гц), приведены в табл.2.
Небольшой разброс таких параметров, как время задержки включения, падение напряжения в открытом состоянии, заряд обратного восстановления QRR, дает возможность использовать эти приборы в последовательных и параллельных соединениях.
По заказу возможно изготовление фототиристоров с интегрированными функциями самозащиты от пробоя, которые позволяют упростить или вообще исключить сложные и дорогие электронные схемы защиты при внешних критических воздействиях.
Диоды
В области разработки мощных неуправляемых биполярных СПП за последние годы в ОАО "Электровыпрямитель" достигнуты значительные результаты: разработана и изготовлена серия супермощных диодов с блокирующими обратными напряжениями до 10 000 В (табл.3).
Все СПП таблеточного исполнения имеют повышенную механическую прочностью, они надежно работают при воздействии номинальных вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 0,5 до 500 Гц с ускорением 100 м/с2 и при одиночных и многократных ударах с ускорением соответственно 1500 и 750 м/с2. Приборы сейсмостойкие и выдерживают землетрясения интенсивностью 9 баллов по MSK-64. По требованию заказчиков приборы могут поставляться в термодинамически устойчивых корпусах, т.е. в корпусах, имеющих защитный показатель ∫i2 dt = 13,5 · 106 А2 с и выдерживающих (не разрушаются) токи IRSCM до 75 кА. Основное направление работ сегодня в области СПП таблеточного исполнения – это увеличение коммутируемой мощности.
Одновременно ОАО "Электровыпрямитель" продолжает совершенствовать приборы штыревой и роторной конструкции. В настоящее время на заводе начался выпуск новых высоковольтных низкочастотных тиристоров и диодов штыревой конструкции на токи 200–320 А и напряжения от 2 000 до 4 400 В, диаметр полупроводникового элемента – 32 мм.
В новой конструкции тиристоров и диодов для увеличения напряжения ионизации электрических промежутков изменена конструкция изоляционной трубки и изоляционной шайбы и на периферии выпрямительного элемента специально наращивается изоляционный буртик (рис.2). В результате рабочее напряжение тиристоров и диодов увеличилось с 2 000 до 4 400 В.
Диоды штыревой конструкции изготавливаются как прямой, так и обратной полярности.
Для замены роторных диодов В6-200 паяной конструкции в пластмассовых корпусах разработано и освоено производство новых фланцевых диодов прижимной конструкции Д275-200 (рис.3). С помощью специального демпфирующего устройства центробежные нагрузки прикладываются не к полупроводниковому элементу, а к корпусу, обеспечивая надежную работу прибора в условиях больших механических нагрузок. Данные диоды предназначены для бесщеточных систем возбуждения мощных электрических машин. Эксплуатируются они в условиях длительных центробежных ускорений до 4900g (кратковременных до 6800g), направленных вдоль оси симметрии диода в сторону основания, и в условиях длительных тангенциальных ускорений 980g, действующих перпендикулярно оси диода. Электродами служат медный круглый фланец (основание) и медный трубчатый токопровод.
Благодаря совершенствованию конструкции и технологии изготовления CПП, а также введению дополнительных испытаний и диагностирования приборов, интенсивность отказов приборов (λ) достигает значения 4 · 10−8 час−1. Можно сказать, что технический уровень СПП производства ОАО "Электровыпрямитель" по основным параметрам и эксплуатационной надежности не уступает лучшим мировым аналогам. На заводе действует система менеджмента качества, сертифицированная по стандартам ГОСТ Р ИСО 9001-2008 (ISO 9001:2008), для железнодорожного транспорта РФ по НБ ЖТ ЦЛ-ЦТ 139-2003 и для оборонного заказа по ГОСТ РВ 15.002-2003 (РД В 319.015-2006). Предприятие имеет лицензии и разрешающие документы на право разработки и изготовления приборов и оборудования для атомных станций, объектов ОАО "Газпром", ОАО "ФСК ЕЭС". ⦁
Отзывы читателей
