Мощные силовые диоды и силовые тиристоры таблеточной конструкции

Рисунок.

При создании выпрямителей на большие токи используется параллельное соединение до 10 и более силовых диодов или силовых тиристоров и необходим низкий разброс прямого напряжения диодов U_p или прямого напряжения в открытом состоянии силовых тиристоров U_T, а также стабильность их значений в процессе эксплуатации приборов.

Однако при пробое одного из параллельно-соединенных приборов через него протекает большой ток короткого замыкания (К.З.).

Самым опасным является пробой прибора при высоком обратном напряжении в области фаски полупроводниковой структуры, так как большой ток К.З. локализуется в малом объеме и возникает высокотемпературная плазма, которая под давлением устремляется к тонким манжетам корпуса, проплавляет их и выходит наружу. Это может привести к возгоранию выпрямителя или взрыву в цехах со взрывоопасной атмосферой.

В 2000 году на нашем предприятии была разработана конструкция силового диода с высокой термодинамической устойчивостью корпуса, основанная на применении специальных защитных колец, которые препятствуют проникновению высокотемпературной плазмы к тонким манжетам корпуса прибора. На базе этой конструкции созданы силовые диоды типа Д553 и лавинные диоды типа ДЛ553 на токи до 2500 А и напряжение до 4200 В с высокой ТДУ корпуса (см. табл. 1).

Испытания образцов силовых диодов с предварительно созданным К.З. на фаске были проведены на стендах ВИТ (г. Запорожье, Украина), а затем и в Ульяновском испытательном центре электрооборудования (г. Ульяновск, Россия). Результаты показали, что данные образцы выдержали токи К.З. свыше 80 кА без разрушения корпуса.

В дальнейшем появились силовые тиристоры типов Т553 и Т653 на токи до 1250 А и напряжения до 3400 В с высокой ТДУ (см. табл. 2).

В 2005 году разработаны еще более мощные силовые диоды, лавинные диоды и силовые тиристоры типов Д573, Д673, ДЛ573, ДЛ673 и Т573 с более высоким уровнем ТДУ (см. табл. 1). При этом была усовершенствована система защиты корпуса от плазмы и достигнут уровень токов ТДУ до 140 кА, а защитный показатель устойчивости корпуса составил свыше I_C²×t = 40×10⁶ A²·c.

Параллельно с разработкой термодинамически-устойчивой конструкции приборов проводились исследования, позволившие предложить решения, которые не только уменьшили разброс прямого напряжения диодов U_F и напряжения в открытом состоянии силовых тиристоров U_Т, но и повысили уровень стабильности их значений.

Благодаря подбору контактных покрытий и усовершенствованию технологии изготовления удалось достичь высокой стабильности, воспроизводимости и низкого уровня значений U_F и U_Т на приборах.

Исследование стабильности UF проводилось методом ускоренного старения и окисления контактных соединений лавинных диодов при температуре 150-160 °C в течение 3000 часов с периодическим замером величины U_F при токе 6280 А через каждые 500 часов. Замеры U_F показали, что в течение всего времени испытаний его значение на каждом силовом диоде испытуемой партии практически не изменилось.

Высокая воспроизводимость и малый разброс значений U_F позволили поставлять заказчикам для выпрямителей с параллельным соединением приборов в ветвях лавинные диоды ДЛ553-2000, имеющие разброс значений U_F±0,01 В. Таким образом, обеспечен разброс тока, который протекает через каждый диод при параллельном включении их в ветви, не превышающий 10%.

Аналогичные исследования стабильности U_Т на силовых тиристорах проводились при температуре нагрева, равной 125 °C. При этом получена высокая стабильность значения U_Т на каждом из испытываемых приборов.

В процессе разработки силовых диодов, лавинных диодов и силовых тиристоров велись исследования по повышению стабильности обратной ВАХ и ВАХ в закрытом состоянии тиристоров. Положительные результаты были достигнуты за счет снижения напряжения электрического поля на поверхности фаски, оптимального профиля фаски и стабильного пассивирующего компаунда для защиты фаски диодных и тиристорных структур. Стабильность ВАХ также оценивалась путем длительного отжига при максимальной рабочей температуре силовых диодов и силовых тиристоров.