Динамо-машины  Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы 

1 2 3 4 5 6 7 [ 8 ] 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

Рис. 12. Тиристор типа AEI на 250 А с плоским фланцем и отверстиями для крепежных болтов

Рис. 13. Таблеточный тиристор фирмы Semikron на 630 А. Управляющие выводы имеют упругие зажимы

фланец легко может быть закреплен на охладителе, как это сделано в ряде транзисторов фирмы General Electric (GEC).

Интегральные силовые полупроводниковые приборы, которые в Западной Европе называют модулями, представляют собой монолитные блоки из пластмассы с плоским изолированным металлическим (а иногда керамическим) основанием. Модуль, как правило, содержит две полупроводниковые структуры (диоды, тиристоры или диод и тиристор), включенные обычно последовательно. У них, как правило, имеются три силовых вывода и выводы управляющих электродов. Сущест-ве1шым преимуществом этих модулей по сравнению с остальными конструктивными решениями силовых полупроводниковых приборов является то, что основание (фланец), которое закрепляется на охладителе, изолировано от полупроводниковых структур, причем прочность изоляции между токоведущими и изолированными деталями достигает 2,5 кВ. Это позволяет использовать заземленные электрически соединенные между собой охладители или один общий охладитель на всю группу модулей, образующих комплектный полупроводниковый блок, и этим экономить 30-40% объема по сравнению с блоками, использующими приборы со штыревым корпусом.

Схематический разрез внутренней конструкции модуля показан на рис. 19. Полупроводниковые структуры 3 прижаты к металлическому основанию 1 через тонкие керамические (оксидные) пленки 2 с помощью прижимного устройства 5. В качестве изоляционной пленки используется оксид алюминия AL2O3 (корунд) или оксид бериллия ВеО. Теплопроводность оксида бериллия в несколько раз больше, чем оксида алюминия, поэтому оксид бериллия используется преимущественно в модулях на большие токи. Однако он дороже оксида алюминия

МО Си Si Ад

Рис. 14. Схематический разрез таблеточного тиристора фирмы ASEA Рис. 15. Таблеточный тиристор фирмы Semikron на 1000 А

и ЯДОВИТ, поэтому требует специальных мер при изготовлении модулей. При разработке модулей с оксидом бериллия имеется опасность отравления. Чехословацкие модули типа МД и МТ используют в качестве изоляционной пленки оксид алюминия.

Одной из первых европейских фирм, начавших выпуск интегральных полупроводниковых приборов, является фирма Semikron (ФРГ). Эта фирма выпускает модули на ток от 15 до 160 А и напряжение от 200 до 1600 В.

Широкий выбор модулей Diodul, Thyodul выпускает фирма Siemens (ФРГ). Кроме обычных выпрямительных модулей фирмы Semikron, Siemens, AEG и др. выпускают также специальные высокочастотные модули с гарантированными динамическими параметрами.

Чехословацкое предприятие CKD Polovdice с 1980 г. выпускает модули на ток 40-80 А и подготавливает выпуск модулей до 160 А. Габариты модуля типа MT43I показаны на рис. 20. Размеры диодных и тиристорных модулей одинаковы. Размеры фланцев оснований 92 х 20 мм являются в настоящее время унифицированными во всем мире, что позволяет проводить взаимозаменяемость модулей в преобразователях различных фирм. Тиристоры со штыревым корпусом далеки от такой степени унификации.

Достоинства интегральных силовых полупроводниковых приборов с гальванической развязкой полупроводниковой структуры от основания особенно сильно проявляются при водяном охлаждении. Система циркуляции воды значительно упрощается, а вода не требует специальной подготовки. Фирма Semikron (ФРГ) выпускает даже модули с прямым внутренним водяным охлаждением типа SKIW на ток 250-900 А и напряжение 800-1600 В (рис.21). Модуль требует для охлаждения 4л воды в минуту. Его масса 1,3 кг, габаритные размеры

Рис. 16. Таблеточный тиристор фирмы Brown - Boveri - Secheron на 8 кА с центральным отверстием для крепления

85x65 x 120 ММ. Подвод воды для охлаждения осуществляется сзади.

Выбор конструктивного типа силовых полупроводниковых приборов для данного преобразователя зависит от схемы преобразователя; требуемых электрических параметров (тока, напряжения, времени выключения, скорости нарастания напряжения и тока и т. д.); возможностей охлаждения преобразователя; характеристик нагрузки (перегрузок, бросков тока); состояния рынка приборов (доступности, сроков поставки, цены).

Широкий выбор силовых полупроводниковых приборов (иногда приборы с одинаковыми электрическими параметрами выпускаются в различных конструктивных исполнениях) дает конструкторам преобразователей возможность получения оптимального решения.

Между приборами со штыревым корпусом и прибора.ми с плоским фланцем практически нет никакой разницы. Приборы с плоским фланцем применяются преимущественно при водяном охлаждении, так как их можно монтировать на тонкостенные водяные охладители, где нет возможности выполнить осевые резьбовые отверстия.

Приборы со штыревым корпусом и таблеточные приборы выпускаются на ток от 160 до 320 А (CKD Polovodice). Следовательно, приборы на 160, 200, 250 и 320 А можно выбрать как в первом, так и во втором из этих исполнений. Различие между ними только во внутреннем тепловом сопротивлении. Внутреннее тепловое сопротивление в таблеточных приборах приблизительно в 2 раза меньше, чем в приборах со штыревым корпусом (это справедливо, конечно, при двухстороннем охлаждении таблеточных приборов). Таблеточные приборы в отличие от приборов со штыревым корпусом, которые просто ввинчиваются в резьбовое отверстие охладителя, требуют устройства прижатия относительно сложной конструкции, которое должно обеспечить достаточное и постоянное усилие сжатия как внутри прибора, так и в местах контакта между электродами и токоподводами, из которых по крайней мере один является охладителем. Таблеточные тиристоры при двухстороннем охлаждении можно относительно легко охла-

Рис. 17. Силовой полевой транзистор типа BUZ на 10 А, 200 В фирмы Siemens

Рис. 18. Силовой транзистор фирмы Semikron типа SKG 50Е75 по схеме Дарлингтона

дить И обеспечить их работу при полной допустимой токовой нагрузке. При такой полной нагрузке не остается резерва для случайной кратковременной перегрузки. Поэтому, если есть возможность выбора между прибором со штыревым корпусом и равноценным ему по электрическим параметрам таблеточным прибором, в преобразователях для электроприводов и других устройств с кратковременными перегрузками следует предпочесть приборы со штыревым корпусом. Расчетную токовую нагрузку прибора следует выбирать меньше его номинального

Рис. 19. Схема силового полупроводникового модуля:

/ - металлическое основание; 2 - электроизоляционный оксидный слой; J - полупроводниковая структура; -вывод управляющего электрода; 5 - прижимная пружина; 6 - зажим

Рис. 20. Габаритный чертеж модуля МТ 431 предприятия CKD Polovodice

тока. Таблеточные тиристоры используются в преобразователях с постоянной нагрузкой, например, для электролиза, гальванотехники, зарядных устройств и т. п. Они используются с полной нагрузкой, причем применяется быстродействующая электронная защита от перегрузок и коротких замыканий. Кроме того, таблеточные тиристоры выгодно использовать в реверсивных схемах и преобразователях переменного тока со встречно-параллельным включением приборов, где симметричная конструкция таблеточных приборов позволяет гальваническое соединение некоторых охладителей или использование общего охладителя для группы приборов. Как мы увидим из последующих параграфов данной главы, этим супдественно упрощается конструкция блоков.

. Модули имеют значительно меньшую перегрузочную способность по сравнению с приборами со штыревым корпусом. Например, максимально допустимый импульсный ток одиночного импульса при 25 deg; С и длительности 10 мс чехословацкого тиристора Т 955-63 равен 2100 А. Модуль МТ 431-63 при тех же условиях допускает импульсный ток 1200 А. Значение параметра Pt для модуля также меньше (у прибора со штыревым корпусом 22050 А-с, у модуля 7200 А-с). Поэтому при применении модулей необходимо уделять повышенное внимание защите от перегрузок и коротких замыканий. В случае необходимости следует снизить токовую нагрузку модулей. Модули успешно вытесняют приборы со штыревым корпусом в диапазоне токов до 160 А, т. е. при мощности до 50-100 кВт.

Перечень обычных силовых полупроводниковых приборов, выпускаемых чехословацким предприятием CKD Polovodice, с указанием их параметров приведен в табл. 6 (диоды) и табл. 7 (тиристоры). В таблицах указаны тип, максимально допустимый средний ток / при заданной температуре корпуса.

Рис.21. Специальный силовой полупроводниковый модуль типа SKIW фирмы Semikron

диапазон максимально допустимых прямого напряжения в закрытом состоянии и обратного напряжения и , внутреннее тепловое сопротивление R, масса и тип корпуса. Кроме приборов, указанных в таблицах, предприятие CKD Polovodice выпускает также высокочастотные диоды и тиристоры. Более подробные сведения приведены в каталогах изготовителя.

Габаритные чертежи этих приборов приведены на рис. 22-24. Тиристоры имеют одинаковые размеры с диодами, отличаясь от последних наличием вывода от управляющего электрода и вспомогательного вывода от катода. Это обычно гибкие изолированные канатики такой же длины, как и вывод катода. На рис. 24 приведен габаритный чертеж специального тиристора Т 955 - Е 250 с плоским фланцем. Типовое обозначение тиристоров, выпускаемых предприятием CKD Polovodice, отличается от обозначения диодов этого предприятия первой цифрой в обозначении (9 вместо 8 у диода).

Диоды и тиристоры некоторых исполнений по току выпускаются в двух различных корпусах. Так, диод D 844-200 в корпусе ОК 32 аналогичен диоду D 845-200 в корпусе ОК 41, а тиристор Т 993-63 в корпусе ОК 27 аналогичен тирнсгору Т 995-63 в корпусе ОК 41. Эти приборы отличаются допустимым импульсным током. Приборы в более крупном корпусе имеют большую допустимую импульсную нагрузку и в несколько раз большее значение параметра Pt.

Если одинаковые номинальные токи имеют штыревые 1Ьтаблеточные приборы, например приборы D 855-320 (ЭОК 41) и D 856-320 (Р 30), значения их допустимых импульсных токов не имеют существенных различий, н они изготавливаются на основе одинаковых полупроводниковых пластинок.

В табл.8 приведен перечень диодных и тиристорных модулей, выпускаемых предприятием CK.D Polovodice (ЧССР), и указаны их параметры.

Типичными приборами, выпускаемыми предприятием CKD Polovodice, являются штыревой тиристор, таблеточные тиристоры и модуль.

Предприятие CKD Polovodice выпускает также ряд специальных полупроводниковых приборов, таких, как высокочастотные тиристоры, оптотиристоры, тиристоры обратной полярности и т. д.