Электронные компоненты высокой мощности для систем защиты РЭА от импульсных перенапряжений

Введение

Надежность и работоспособность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в значительной степени определяются ее чувствительностью к кратковременным электрическим перенапряжениям [1–4].

В связи с усложнением РЭА, уменьшением мощности и питающих напряжений электронных устройств, задача обеспечения надежности и безопасности работы с электронными устройствами, работающими в условиях неконтролируемого воздействия на них электрических перенапряжений, является актуальной.

В России и СНГ производство и применение систем защиты РЭА от электрических перенапряжений до сих пор носит ограниченный характер. В последние годы спрос на них существенно расширился.

В качестве элементов схем активной защиты РЭА от воздействия электрических перегрузок по напряжению и току в стандартном варианте используются оксидно-цинковые варисторы, разрядники (газоразрядные приборы), дефенсоры, а также полупроводниковые приборы общего применения (стабилитроны, импульсные диоды, диоды с барьером Шоттки, выпрямительные диоды с лавинной характеристикой). Однако широкому использованию этих электронных компонентов отчасти препятствует пониженное быстродействие и ограничение напряжения и мощности перегрузок.

Целью настоящей работы является представление результатов разработок современных полупроводниковых ограничителей напряжения высокой мощности на полупроводниковых элементах для систем защиты аппаратуры от электрических перенапряжений.

Особенности технологии изготовления ПОН высокой мощности

Разработаны и изготовлены различные по конструкции варианты симметричных ПОН (рис. 1) для защиты сетей переменного тока на основе кремниевых ограничительных элементов.

Рис. 1. Различные варианты электрической схемы симметричного ПОН: а) с встречными цепочками активных ограничительных элементов; б) с применением выпрямительных диодов в мостовой схеме и активных ограничительных элементов

Симметричность ВАХ ПОН обеспечивается за счет встречного монтажа двух идентичных цепей ограничительных элементов (рис. 1а) или применением мостовой схемы (рис. 1б).

Применение мостовой схемы ограничительных сборок позволило вдвое сократить количество дорогих кристаллов ограничительных элементов.

Изготовленные кремниевые ограничительные элементы собирались в модули в количествах, определяемых уровнем заданной мощности. Для сборки арматур в готовом изделии использовались шестигранные кристаллы (диагональ 6,2 мм), рассчитанные на рассеяние ~7 кВт импульсной мощности каждый. Одно- (~7 кВт), двух- (~14 кВт) и трехкристальные (~21 кВт) арматуры монтировались последовательно в диагонали выпрямительного моста между двумя специально сконструированными платами. На рис. 2 представлен внешний вид мощных полупроводниковых ограничительных сборок.

Рис. 2. Внешний вид мощных полупроводниковых ограничительных сборок: а) после монтажа; б) после корпусирования

Важнейшим технологическим принципом изготовления ПОН следует считать принцип тонкой базы: чем тоньше относительно высокоомный базовый слой, тем меньше последовательное сопротивление и, соответственно, падение напряжения на базе, то есть выделение на базе греющей мощности. Особенно это ощутимо при воздействии предельных по мощности коротких (менее 1 мс) импульсов. Поэтому в качестве исходного материала для разработки ОН с U_проб свыше 10 В целесообразно использовать эпитаксиальные структуры n—р⁺-типа. Ограничение по нижнему пределу U_проб связано с возможностями современной технологии эпитаксиального наращивания.

Толщина базового слоя эпитаксиальных n-р⁺-структур должна быть не менее 20 мкм, что предотвращает деградацию прибора при воздействии мощных импульсов тока, связанных с накоплением механических напряжений в области спая кристалла с теплоотводом.

Основные параметры и результаты испытаний разработанных ПОН

На базе разработанной полупроводниковой технологии изготовлены несколько категорий ПОН, электрические параметры которых представлены в таблице.

Основное внимание при разработке ПОН уделялось испытаниям на определение уровня защиты изготовленных изделий.

Были проведены испытания по уровню защиты опытных образцов ПОН на различном оборудовании:

• на испытательном оборудовании НИИВК им М. А. Карцева;
• на немецком испытательном оборудовании ЗАО «Хакель Рос».

По результатам испытаний на технологическом оборудовании НИИВК им М. А. Карцева установлен высокий уровень защиты разработанных ПОН. Например, для ПОН КР485ГС уровень безотказной защиты составил 270 А и 8 кА для импульсов 10/1000 мкс и 8/20 мкс соответственно. Предельный режим защиты — 0,5 и 10 кА (рис. 3).

Рис. 3. Результаты испытаний ПОН КР485ГС на оборудовании НИИВК им М. А. Карцева для импульсного напряжения ограничения: а) 10/1000 мкс; б) 8/20 мкс

Положительные результаты подтверждены испытаниями ПОН КР485ГС высокой мощности в компании ЗАО «Хакель Рос». Испытания проводились по согласованной программе на тестере Н1 импульсным напряжением с амплитудой импульса по напряжению до 6 кВ, по току до 15 кА и длительностью 20 мкс. По результатам испытаний разработанные образцы соответствуют классу III УЗИП, допустимый уровень напряжений защиты по току до 10 кА, по напряжению — до 1000 В (рис. 4).

Рис. 4. Результаты испытаний ограничителей напряжений КР485ГС высокой мощности в компании ЗАО «Хакель» для различных токов разрушающего импульса 8/20: а) импульсный ток 10 кА; б) импульсный ток 15 кА (отказ)

Разработка сетевых защитных устройств от перенапряжений (СЗУ)

На основе разработанных ПОН высокой мощности были изготовлены образцы сетевых защитных устройств (СЗУ). Устройства предназначены для защиты электрооборудования при косвенном воздействии грозовых разрядов и импульсных перенапряжений, возникающих в результате коммутационных переходных процессов, с энергией воздействующих импульсов до 150 Дж для импульсов 10/1000 мкс. Разрабатывались СЗУ для постоянного и переменного токов одно-, двух- и трехфазных цепей. Для повышения экономической эффективности производства СЗУ принято следующее техническое решение. Все СЗУ выполнены по одному базовому варианту модульной конструкции, состоящей из унифицированного корпуса с креплением на 35-мм DIN-рейку и съемного блока защиты (СБЗ) со встроенным в него мощным ОН и индикатором отказа. Были разработаны следующие типы устройств:

• СЗУ (DC)-110-1 является унифицированным модулем СЗУ постоянного тока;
• СЗУ (АС)-220-1 является унифицированным модулем СЗУ переменного тока;
• СЗУ (AC)-380-2 состоит из трех унифицированных модулей типа СЗУ (AC)-220-1;
• СЗУ (AC)-380-3 состоит из четырех унифицированных модулей типа СЗУ (AC)-220-1.

Все разработанные СЗУ имеют уровень защиты категории 1 по ГОСТ Р 50571.19 (класс испытаний III по ГОСТ Р 51992).

На защитные устройства постоянного тока типа СЗУ (DC)-110-1 и переменного тока СЗУ(АС)-220-1 разработана конструкторская документация КЛГЯ.646182.602 и КЛГЯ.646182.001, в которой приведены функциональные и принципиальные схемы, сборочные и габаритные чертежи на СЗУ и на СБЗ. На рис. 5 представлен внешний вид сменных блоков отдельно и в сборке унифицированного СЗУ постоянного тока.

Рис. 5. Внешний вид: а) сменных блоков унифицированного СЗУ постоянного тока типа СЗУ (DC)-110-1, унифицированного СЗУ переменного тока типа СЗУ (AC)-220-1; б) сменных блоков СЗУ (AC)-300-3 на DIN-рейке

Заключение

Разработана конструкция и технология изготовления современных мощных полупроводниковых ограничителей напряжения с рассеиваемой мощностью до 150 кВт, соответствующих III классу защиты от импульсных перенапряжений. Разработанные электронные компоненты завершают серию ОН, разработанных на предприятии, начиная от 0,5 кВт. На основе разработанных ПОН изготовлены универсальные устройства защиты РЭА от импульсных перенапряжений, соответствующих классу защиты категории 1 по ГОСТ Р 50571.19-2000.

Литература

1. Рикетс Л. У. и др. Электромагнитный импульс и методы защиты. М.: Атомиздат. 1979.
2. Устойчивость радиоэлектронной аппаратуры к воздействию электромагнитного импульса при ядерном взрыве // Радиоэлектроника за рубежом. 1981. Вып. 10 (1008).
3. Морозова Н. К., Рахматов А. З., Скорняков С. П. Кремниевые ограничители напряжения. Сб. Новые промышленные технологии. М.: Минатомэнерго РФ. 1993. № 4 (258).
4. Колосов В. А. «Убийцы» аппаратуры — электрические сети // Живая электроника России–2000. 2000.
5. Кондратьев Б. В., Попов Б. В. Ограничители для защиты радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжения // Обзор. М.: ЦНИИ «Электроника». Сер. Зарубежная электронная техника.1983. № 2/260.
6. Рахматов А., Абдулхаев О., Каримов А., Кахоров А., Каландаров Ж., Скорняков С. Определение эффективности ограничения напряжения диодных структур // Компоненты и технологии. 2011. № 4.