Современные силовые полупроводниковые приборы (СПП) выпускаются на ток свыше 10 А. СПП получили широкое применение в преобразователях переменного тока в постоянный (выпрямителях), а также — постоянного тока в переменный (инверторах). Применяются два основных вида СПП: диоды и тиристоры. Если для выпрямления могут использоваться оба вида СПП, то для инвертирования — только тиристоры. Силовые диоды и тиристоры имеют два конструктивных исполнения: штыревое и таблеточное.
На рис. 1, а показан в разрезе диод штыревого типа BJI-200 (вентиль лавинный на предельный прямой ток 200 А). Он состоит из кремниевой пластины б, к которой припаивают вольфрамовые термокомпенсирующие пластины 7, защищающие хрупкую, кремниевую пластину от механических и тепловых напряжений и имеющие коэффициент линейного расширения близкий к кремнию. Медная контактная гайка 5 с припоем служит для присоединения внутреннего гибкого вывода 4, продолжением которого является наружный гибкий вывод 1.
Рис. 1. Штыревой диод: а — конструкция; б— вольт-амперная характеристика
Крышка корпуса 3 изолируется от ввода стеклянным изолятором 2. Ее соединение с массивным медным основанием осуществляется завальцовкой, чем обеспечивается герметизация внутренних частей диода от влаги и грязи, отрицательно влияющих на электрическую прочность и нормальную работу. На рис. 1, б изображена вольт-амперная характеристика диода, структура его р-п-перехода, графическое обозначение и буквенный код VD. Обратная ветвь вольт-амперной характеристик1 (ВАХ), изображенная сплошной линией, относится к обычным диодам, а штриховая — к лавинным. Последние отличаются тем, что в них обратный ток протекает не по ограниченной площади, а площади, составляющей не менее 25% от площади кремниевой пластины. Вследствие этого предельный обратный ток при кратковременных пробоях диода может достигать сотен ампер, не создавая опасного перегрева и разрушения кремниевой пластины.
Силовой таблеточный тиристор показан на рис. 2, а. Его кремниевый диск 1 имеет форму диска. Серебряные пластинчатые прокладки 7 и 8 располагаются с двух сторон кремниевого диска, обеспечивая хороший контакт. Управляющий электрод 4 прижимается пружиной 3 к слою р2 (рис. 2, б) четырехслойной структуры кремниевого диска тиристора.
Рис. 2. Таблеточный тиристор: а — конструкция; б — вольт-амперная характеристика
Внешний вывод 5 управляющего электрода служит для подключения к источнику питания, создающего при замыкании цепи управления кратковременный импульс управляющего тока, при котором происходит отпирание тиристора. Таблетка помещается между двумя охладителями, которые прикладываются к верхнему основанию 2 и нижней мембране 9, и сжимаются двумя болтами через пружину и изолятор. По окружности тиристор имеет кольцевой керамический изолятор 6.
СПП характеризуются двумя видами параметров: характеристическими и предельно допустимыми.
Характеристические параметры:
максимальное обратное напряжение —это напряжение, соответствующее области загиба обратной ветви ВАХ или области лавинообразования лавинных СПП;
прямое падение напряжения — это мгновенное значение напряжения на СПП при прохождении через него прямого тока;
тепловое сопротивление СПП представляет отношение разности температур между р-п- переходом и окружающей средой к мощности, рассеиваемой на СПП в установившемся режиме
Предельно-допустимые параметры:
предельный ток СПП — наибольшее допустимое среднее за период значение тока частотой 50 Гц, синусоидальной формы, протекающий через полупроводниковый прибор в однофазной схеме на активную нагрузку;
повторяющееся обратное напряжение — наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к СПП в обратном направлении и характеризующее класс прибора, который равен повторяющемуся напряжению в сотнях вольт, первый класс соответствует 100 В.
При выполнении мощных выпрямителей возникает необходимость в групповом последовательно-параллельном соединении
СПП для обеспечения требуемого выпрямленного тока и получения достаточной электрической прочности.
Параллельное соединение диодов используется в тех случаях, когда максимальный допустимый ток одного диода оказывается недостаточным для обеспечения требуемого выпрямленного тока. Параллельно соединяют однотипные диоды, но из-за разброса их параметров ток нагрузки выпрямителя распределяется между ними неравномерно: одни диоды перегружаются током и перегреваются, другие оказываются недоиспользованными.
Для выравнивания напряжения на последовательно соединенных диодах, а также для защиты их от перенапряжений в процессе коммутации диоды шунтируют конденсаторами С. Однако это приводит к существенному увеличению скорости нарастания прямого тока диода в результате разряда конденсатора в цепь диода при отпирании последнего. Этот ток может привести к избыточному выделению тепловой энергии в кристалле диода и локальному пробою. Поэтому последовательно с конденсатором С включают резистор R. На рис. 3 приведена схема фазы выпрямителя с последовательно-параллельным соединением диодов, где между диодами соседних ветвей устанавливаются резисторы связи Rc, сопротивление которых составляет доли ома, т.е. оно велико по сравнению с прямым сопротивлением диодов и мало по сравнению с обратным. Резисторы Rc связывают диоды всех ветвей между собой и с соответствующими конденсаторами С и резисторами R.
Рис. 3. Схема фазы выпрямителя с последовательно-параллельным соединением диодов