2.6. ОСОБЕННОСТИ СИЛОВЫХ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ КАК ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, КОМПЛЕКТУЮЩИХ СХЕМУ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

Силовые диоды и тиристоры, работающие в схеме ПУ, представляют собой такие его элементы, которые способны переходить из непроводящего состояния, когда они практически не проводят ток при приложении к ним напряжения, в проводящее состояние, когда они проводят ток при достаточно малом падении напряжения на них.

Состояние силового диода в нормальных условиях определяется полярностью и значением приложенного к нему напряжения, а тиристора — еще и наличием необходимого по своей величине и качеству сигнала на электроде управления. Поскольку электрическое сопротивление полупроводниковых структур диодов и тиристоров зависит от их температуры, градиента электрического поля и наличия носителей заряда, то способность СПП переходить из одного состояния в другое и находиться в каждом из них требуемое время определяется сочетанием конкретных значений указанных выше параметров, что и определяет работоспособность диодов и тиристоров. Кроме того, их работоспособность зависит еще и от физической целостности полупроводниковых структур, а следовательно, и от механических нагрузок, прикладываемых к конструкциям диодов и тиристоров, и возникающих в них механических напряжений.

Вообще работоспособность силовых диодов и тиристоров определенной конструкции, выполненных по определенной технологии, может быть достаточно Четко определена значениями следующих параметров, характеризующих их состояние, - параметров состояния полупроводникового прибора: температуры структуры; градиента электрического поля;

механических напряжений, возникающих в полупроводниковой структуре и конструкции;

электрического и теплового сопротивлений соответствующих контактов.

Все эти параметры состояния как силового диода, так и тиристора тесно связаны между собой, и каждый из них зависит практически от всех видов воздействий на прибор как со стороны схемы, в которой он работает, так и со стороны окружающей среды, в которой он находится.

В свою очередь, параметры состояния СПП, обусловливающие способность или неспособность их выполнять заданную функцию в каждый данный момент, определяются совокупностью факторов, воздействующих на прибор, таких, как:

мгновенные воздействия;

скорости изменения мгновенных воздействий;

интегральные воздействия;

усредненные воздействия за промежуток времени соответствующей тепловой постоянной времени конструкции.

К первой и второй группам рассматриваемых факторов относятся мгновенные значения и скорости изменения прямого тока, запираемого напряжения, тока управления (для тиристоров), тока утечки (для тиристоров) и обратного тока, мощности потерь, температуры корпуса.

Эти воздействия определяют мгновенные значения параметров состояния диодов и тиристоров и характер изменения их во времени для каждого данного момента.

К третьей группе воздействующих на диоды и тиристоры факторов относят воздействия, влияющие на состояние диодов и тиристоров за счет накопления или тепловой энергии, или носителей заряда в отдельных зонах их конструкции, что вызывает интегральное изменение параметров состояния приборов. Примерами подобных воздействий являются импульсные перегрузки по току и напряжению, а также скорость нарастания прямого напряжения для тиристоров. В результате этих воздействий снижается вентильная прочность силовых полупроводниковых диодов и тиристоров или за счет повышения температуры полупроводниковой структуры, или за счет накопления неосновных носителей заряда в ее базовых областях благодаря протеканию емкостного тока.

К четвертой группе факторов можно отнести действие среднего и эффективного значений прямого тока, а также запираемого напряжения диодов и тиристоров при их работе в так называемом ждущем режиме, когда. они находятся длительно под напряжением, не переключаясь в проводящее состояние. Кроме того, к этой группе необходимо отнести воздействия, связанные с повторяющимися изменениями указанных токов, определяющими циклостойкость конструкции силовых полупроводниковых диодов и тиристоров.

Электрические воздействия, определяющие состояние СПП, можно классифицировать по источникам их возникновения на сетевые, собственные и схемные. Каждая из этих групп воздействий обусловлена процессами, происходящими соответственно в питающей сети и сети нагрузки, собственно в диоде или тиристоре и в схеме преобразовательного устройства.

Ясно, что уровни воздействий на диоды и тиристоры зависят от параметров элементов схем питающей сети, сети нагрузки, преобразовательного устройства и собственных параметров работающих в этих, схемах диодов и тиристоров.

По характеру возникновения воздействий на диоды и тиристоры во времени их можно подразделить на периодические и эпизодические.

Кроме того, электрические воздействия на силовые полупроводниковые диоды и тиристоры удобно подразделить на основные и дополнительные.

Основные воздействия определяются процессами, происходящими в «идеализированных схемах», когда процессы в электрической схеме рассматриваются в условиях обычно принимаемых допущений.

Дополнительные воздействия обусловлены реально существующими отклонениями параметров элементов схем и собственно диодов и тиристоров от идеальных параметров и реальным протеканием электромагнитных процессов как в схемах, в которых они работают, так и в них самих.

Из сказанного вытекает первая особенность силовых диодов и тиристоров, состоящая в том, что они характеризуются относительно большим числом зависящих от внешних воздействий и взаимовлияющих параметров состояния.

Вторая особенность силовых диодов и тиристоров тесно связана с первой и обусловлена, с одной стороны, их универсальностью, связанной с возможностью применения в широкой номенклатуре устройств различного назначения, а с другой стороны, принятыми системой их классификации и испытаний в производстве и методами определения величин допустимых воздействий по каждому из параметров в реальных условиях их применения.

Классификационные параметры СПП, характеризующие их качество и возможности как элементов схемы силового полупроводникового устройства, определяются изготовителем диодов и тиристоров в условиях и режимах классификационных испытаний, оговоренных соответствующими стандартами, при этом практически каждый из классификационных параметров определяется в своей классификационной схеме при оговоренных условиях и, как правило, при отсутствии воздействий по другим параметрам.

В случае, когда это возможно и необходимо, отсутствие воздействий по другим параметрам компенсируется путем нагревания испытуемых диодов и тиристоров до определенной температуры. Это в большинстве случаев осуществляется подогревом от внешнего источника тепла. Необходимо отметить, что такой нагрев не эквивалентен полностью нагреву диодов и тиристоров протекающим через них током в проводящем и непроводящем состоянии или при переключениях, так как нагрев от постороннего источника тепла (например, термостата) обеспечивает равномерный прогрев всей полупроводниковой структуры и конструкции диодов и тиристоров.

В реальных условиях энергия потерь в виде гепла выделяется в определенных ограниченных зонах, что определяет существенно неравномерный прогрев как полупроводниковой структуры, так и всей конструкции диодов и тиристоров.

Классификационные схемы испытаний и условия проведения классификационных испытаний определяются изготовителем диодов и тиристоров на основании действующих стандартов из условия наиболее простого и экономического обеспечения необходимого воздействия на испытуемые диоды и тиристоры по данному параметру в условиях массового производства. Это, естественно, приводит к тому, что условия и режимы работы СПП в классификационных схемах практически никогда не реализуются в реальных условиях их применения в схемах преобразовательных устройств, охватывающих широкий диапазон условий и режимов работы и их сочетаний.

Такое положение объясняется в основном тем, что классификационные испытания, даже если не стремиться к их упрощению и не учитывать экономический аспект, не могут охватить всего многообразия условий и режимов применения СПП, выпускаемых как универсальные электрические изделия, способные работать в самых разнообразных схемах.

Необходимо отметить и еще одну особенность СПП, состоящую в том, что приемлемый для ряда других видов электротехнической продукции способ испытаний при ужесточении условий и режима испытаний по отношению к реальным условиям применения или устанавливаемым классификационным параметрам неприемлем для диодов и тиристоров, так как они очень чувствительны ко всякого рода перегрузкам, и не удается определить ограниченное число видов испытаний и коэффициентов их ужесточения, могущих обеспечить гарантию надежной работы диодов и тиристоров во всех или даже большинстве разнообразных случаев их - применения в схемах преобразовательных устройств.

Учитывая особенности классификации силовых полупроводниковых диодов и тиристоров согласно действующим стандартам, изготовитель выпускает информационные материалы (каталоги) на все типы СПП, в которых приводит достаточно полный перечень их параметров и характеристик.

Кроме того, всегда следует учитывать, что температура перехода является основным критерием, определяющим допустимость режимов работы полупроводникового диода и тиристора, и в конечном счете именно она ограничивает возможные пределы их использования как по току, так и по напряжению.