Некоторые особенности конструирования мощных выпрямительно-ограничительных диодов для сетевых защитных устройств

Введение

Для защиты электронного оборудования от перегрузок по напряжению при воздействии электромагнитных импульсов естественного и искусственного происхождения практикуется применение так называемых TVS-диодов, а также полупроводниковых (кремниевых) ограничителей напряжения (ПОН). В России налажено производство ПОН, рассчитанных на напряжения пробоя до 400 В и рассеяние импульсной мощности до 10 кВт. В частности, существует несколько серий ПОН, рассчитанных на ограничение перенапряжений на уровне напряжений ограничения 7,5–500 В. Предельный уровень рассеиваемой импульсной мощности серийных ограничителей 10 кВт — ограничитель напряжения 2Р486А с напряжением пробоя 400 В. Зарубежные производители выпускают TVS-диоды, рассчитанные на рассеяние импульсной мощности до 90 кВт.

Требуемое рабочее напряжение получают путем параллельной и последовательной коммутации диодов с соответствующими напряжениями пробоя. Допускается последовательное соединение любого числа однотипных ограничителей напряжения. Аналогичным образом достигается повышение мощности отдельных ПОН: арматура таких ограничителей содержит цепочки спаянных последовательно кристаллов — кремниевых р-n-структур [6–8]. Теплоотвод обеспечивается за счет спаянных с кристаллами дисков из металла с высокими теплоемкостью и теплопроводностью, обычно медных, покрытых серебром. Последовательным соединением кристаллов достигается также и другая цель — разработка ПОН с высоким (обычно выше 100 В) напряжением пробоя. В частности, по этому принципу разработана серия 1,5-кВт ПОН типа КР240 с U_проб от 110 до 250 В [6], ограничители КС606АС (310 В), КС606БС (360 В), 2Р236А (320 В), 5-кВт ПОН 2С901Б (200 В), 2С903А (400 В), 10-кВт ПОН КР486А (400 В) [7].

При применении этих подходов необходимо учитывать определенные нюансы. Например, в патенте [10] представлено изобретение, технический результат которого — создание высоковольтного «сверхмощного» полупроводникового ограничителя напряжения. Согласно описанию, в предлагаемом полупроводниковом ограничителе напряжения высокие напряжения пробоя и рассеиваемой импульсной мощности достигаются за счет формирования в кремнии серии последовательно соединенных р-n-переходов. Отвод выделяющегося в р-n-переходах тепла в момент воздействия электрического импульса осуществляется подложкой — радиатором, контактирующим с торцевыми областями р-n-переходов (рис. 1).

Рис. 1. Структура высоковольтного полупроводникового ограничителя напряжения

Однако такой прием является неэффективным. Изготовленный по принципу, предлагаемому в патенте [10], образец ПОН выдерживал допустимую импульсную мощность 1,5 кВт. При этом его габариты превосходили габариты традиционных [4, 6–9] 1,5-кВт ПОН более чем в два раза. Это обусловлено тем, что в конструкции, представленной в [10], упущен один момент, отмеченный ранее в работе [9]: выделяющийся в р-п-переходе при воздействии паразитного импульса мощный тепловой импульс необходимо мгновенно эффективно поглотить и рассеять. Поэтому кристаллы в типовой конструкции ПОН непосредственно контактируют с теплоотводящими дисками (радиаторами) из материала с хорошей теплопроводностью и теплоемкостью. В качестве таковых применяются, как правило, медь (покрытие серебро), иногда серебро или специальные композитные материалы, в частности композит меди с молибденом (сплав МД). В настоящее время известна разработка такого композита на основе меди, серебра и алмазной крошки.

В настоящей работе приведены результаты по конструированию ПОН с рассеиваемой импульсной мощность до 150 кВт. При этом в качестве технологической основы изготовления мощных ПОН выбран принцип тонкой базы [9]: чем тоньше относительно высокоомный базовый слой, тем меньше последовательное сопротивление и, соответственно, падение напряжения в базе, то есть выделение в базе греющей мощности. Особенно это ощутимо при воздействии коротких (t_и< 1 мс) импульсов, амплитуда тока которых может достигать сотен ампер. Поэтому в качестве исходного материала для разработки ОН с U_проб свыше 10 В предлагается использовать эпитаксиальные структуры n-р⁺-типа. Ограничение по нижнему пределу U_проб таких структур связано с ограниченными возможностями современной технологии эпитаксиального наращивания.

Симметричные и несимметричные полупроводниковые ограничители напряжения

Отличительной особенностью защиты цепей питания переменного тока от цепей постоянного тока является необходимость использования устройств защиты с симметричной ВАХ (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика симметричного ограничителя напряжения

Если в случае несимметричных ПОН (рис. 3) выходом из положения является принцип последовательного соединения кристаллов, то в случае мощных высоковольтных симметричных ПОН (рис. 2) обеспечить симметричность ВАХ ПОН общепринятым способом организации встречного включения р-n-структур кристаллов (рис. 4), т. е. удвоения их количества, представляется крайне затруднительным.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика несимметричного ограничителя напряжения

Рис. 4. Электрическая схема симметричного ограничителя напряжения со встречными цепочками ограничительных элементов

И чем выше требуется обеспечить U_проб ПОН и чем больше его рассеиваемая мощность, тем сложнее технологически это сделать. При конструировании ПОН такого рода симметричность ВАХ обеспечивается с помощью специализированной мостовой схемы из четырех выпрямительных диодов (рис. 5).

Рис. 5. Электрическая схема симметричного ограничителя напряжения с выпрямительным мостом

Увеличение мощности конструкции ПОН с симметричной ВАХ можно получить, используя способ последовательно-параллельного включения ограничительных элементов (рис. 6).

Рис. 6. Электрическая схема симметричного ограничителя напряжения с последовательно-параллельным включением ограничительных элементов и выпрямительным мостом

Симметричность ВАХ конструкции ПОН можно обеспечить также за счет использования кристаллов c симметричными р⁺—n—р⁺-, n⁺—р—n⁺-структурами ограничительных элементов. В этом случае электрическая схема сборки выглядит так, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Электрическая схема симметричного ограничителя напряжения, собранного на основе «симметричных» низковольтных кристаллов (р+-n-р+-, n +-р-n+-структур)

Однако в этом случае не представляется возможным обеспечить «принцип тонкой базы» за счет используемых обычно n-р⁺—эпитаксиальных структур с толщиной базы порядка 20 мкм. На практике для диффузионных р⁺-n-р⁺—, n⁺-р-n⁺—структур толщину базы даже менее ~200 мкм обеспечить если не невозможно, то крайне сложно.

Конструирование мощных выпрямительно-ограничительных диодов

На основании приведенного выше анализа известной информации разработаны конструкции мощных ПОН с напряжениями пробоя 33–500 В и импульсными мощностями 50–150 кВт в виде многокристальных модулей, симметричность ВАХ которых обеспечивается за счет мостовых схем.

Выпрямительные мосты собирались на основе четырех нестандартных (экспериментальных) мощных выпрямительных диодов, рассчитанных на импульсный ток (импульс экспоненциальной формы с параметрами 10/1000 мкс) в прямом направлении до 2000 А.

Выпрямительные диоды для «мостовой» схемы разработаны на основе высокоомного кремния n-типа проводимости марки КЭФ40. Напряжение пробоя таких диодов ~600 В, что обеспечивает надежное функционирование «мостовой» схемы для разработанного семейства ПОН с U_проб 33–500 В, предназначенных для защиты РЭА в сетях постоянного и переменного тока с напряжением до 230 В.

Для монтажа в конструкции ПОН используется арматура выпрямительных диодов, изготавливаемая тем же образом, что и арматуры защитных элементов: кристалл паяется между двумя серебренными медными теплораспределительными дисками и выводами.

В сборках экспериментальных образцов ПОН применялись кристаллы с напряжением пробоя ~33 В, рассчитанные на рассеяние ~5,0 кВт импульсной мощности каждый. В качестве теплоотводящих дисков (радиаторов) использовались медные диски толщиной 400 мкм, покрытые слоем гальванического серебра толщиной ~5 мкм. Кристаллы и теплоотводящие диски собирали (пайка припоем марки ПСр2.5) в виде многокристальных ограничительных элементов, из которых затем набирались ограничительные цепочки с нужным U_проб.

Монтаж ПОН производился из ограничительных элементов и мостовой схемы на двухвыводной керамической плате прямоугольной формы (рис. 8).

Рис. 8. Платы модулей полупроводниковых ограничителей напряжения

Платы помещались в прямоугольные пластмассовые корпуса. Герметизация плат в корпусах производилась компаундом марки КПТД-1/3Т-15,0 (К7), широко применяемым в электротехнической промышленности.

Экспериментальные образцы ПОН изготавливались как в соответствии с электрической схемой рис. 4 (мощность ПОН до 100 кВт), так и в соответствии со схемой рис. 5 — мощность ПОН свыше 100 кВт. Следует отметить, что, в отличие от конструкций ПОН относительно небольшой мощности, для которых в случае параллельного их соединения требуется точное согласование величин их напряжений пробоя (не более 20 мВ) [1], в разработанной конструкции мощного ПОН с последовательно-параллельным включением ограничительных р-п-структур (рис. 5) необходимое значение предельной импульсной мощности достигнуто при величине рассогласования U_проб цепочек порядка 5–7 В.

В качестве ближайшего аналога разработанным мощным ПОН можно рассматривать 60-кВт ПОН (TransZorb) типа 60KS200С фирмы General Semiconductor Industries [11]. Результаты сопоставления основных параметров (характеристик) ПОН 60KS200С и одного из экспериментальных образцов мощных ПОН, близких по напряжению пробоя, представлены в таблице.

Таким образом, видно, что разработанные ПОН превосходят зарубежные аналоги по одному из важнейших параметров ограничителей напряжения — коэффициенту ограничения и, даже при меньших габаритах и массе, по мощности рассеяния импульсов перенапряжения.

Заключение

На основе анализа принципов конструирования и результатов исследования экспериментальных образцов мощных кремниевых ограничителей напряжения показана возможность разработки и производства ПОН с рассеиваемой импульсной мощностью (t_ф/t_и = 10/1000 мкс) до 100–150 кВт. Причем в основу конструкций мощных ПОН с симметричной ВАХ положены электрические схемы с последовательным и последовательно-параллельным включением ограничительных элементов и выпрямительным мостом.