Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Неуправляемые выпрямительные элементы (вентили)

Неуправляемые купроксные, селеновые и германиевые выпрямительные элементы многократно описаны в технической и популярной литературе. Поэтому ниже кратко рассмотрим устройство и принцип действия лишь более перспективных кремниевых вентилей. Основная часть кремниевого выпрямителя — тонкая пластинка, обладающая проводимостью типа р и п. Область проводимости типа n (обозначение n происходит от латинского слова negative — отрицательный), где ток переносится отрицательно заряженными электронами, создают, вводя в монокристалл кремния так называемые донорные примеси (например, фосфор, сурьму, мышьяк). Область проводимости типа р (обозначение р происходит от латинского слова positive — положительный), где ток переносится положительно заряженными «дырками», т. е. незаполненными местами в орбитах атома, создают, вводя в монокристалл кремния акцепторные примеси (например, индий, алюминий, бор).

Сплавление полупроводников с различной проводимостью позволяет получить так называемый р-п переход, на основе которого построены не только неуправляемые вентили, но и все остальные силовые полупроводниковые элементы. По аналогии с ионными и электронными вентилями электрод, присоединяемый к слою с проводимостью типа п, обозначают катодом, а электрод, присоединяемый к слою с проводимостью р,— анодом А.

Если к р-n переходу приложить напряжение, т. е. присоединить к аноду положительный электрод, а к катоду — отрицательный, то основные носители тока в обоих слоях будут двигаться от электродов К и Л к зоне контакта. Отрицательные электроны в слое проводимости типа n отталкиваются от отрицательного катода К и двигаются влево, а положительные дырки слоя с проводимостью типа р удаляются от положительного анода А и передвигаются вправо.

Таким образом, у р-n перехода увеличивается концентрация носителей тока, в результате чего сопротивление его уменьшается и в цепи проходит прямой ток. Если изменить полярность приложенного напряжения, то носители тока удалятся от р-n перехода и вблизи него образуется слои с большим сопротивлением, который плохо проводит ток. Следовательно, р-n переход можно рассматривать как ярко выраженное несимметричное сопротивление, обладающее в прямом (проводящем) направлении очень небольшим сопротивлением, а в обратном (запирающем) направлении — весьма значительным.

Основными параметрами при выборе неуправляемых полупроводниковых выпрямительных элементов являются допустимое амплитудное значение величины обратного напряжения и допустимая средняя величина выпрямленного тока в режиме однополупериодного выпрямления. При этом в качестве номинального значения величины обратного напряжения принята половина так называемого порогового напряжения, при котором обратная ветвь кривой вольт-амперной характеристики резко изгибается. Обратное напряжение достигает своего критического (порогового) значения в этом районе вольт-амперной характеристики, где небольшое увеличение обратного напряжения вызывает значительный прирост обратного тока.

В Советском Союзе выпускается большое количество полупроводниковых выпрямительных элементов различных видов. В силовых преобразователях чаще всего используются кремниевые вентили типов ВК-10, ВК-50, В К-100, ВКД-100 и ВКД-200. Первые две буквы в обозначениях вентилей расшифровываются: «вентиль кремниевый», а буква Д указывает на то, что р-n переход получен методом диффузии. Числа 10, 50, 100 и 200 указывают на допустимую среднюю величину проходящего тока в прямом направлении. Эти вентили изготовляются на номинальное обратное напряжение от 50 до 1 000 в. В последнее время во Всесоюзном ордена Ленина электротехническом институте им. В. И. Ленина (ВЭИ) созданы полупроводниковые вентили ВК-2-500, рассчитанные на 500 и 700 а при номинальном обратном напряжении от 600 до 1 000 в. Особенностью этих вентилей является то, что они содержат в одном корпусе два р-n перехода. В Мордовском научно-исследовательском электротехническом институте (МНИЭИ) созданы полупроводниковые вентили ВКД-500 и ВКДВ-750. Величина допустимого тока для этих вентилей зависит от системы. охлаждения: при естественном воздушном охлаждении он составляет 250 а; при скорости воздушного потока 5 м/сек — 500 а; при водяном охлаждении (5 л/мин) — 750 а. Эти вентили не имеют двух последовательно включенных р-n переходов, но допускают номинальные обратные напряжения в пределах 50—600 в.

В Советском Союзе производятся кремниевые вентили с водяным охлаждением ВКВ-200, ВКВ-350 и ВКВ-500. Однако из-за сложного вспомогательного оборудования они находят значительно меньшее применение. Помимо кремниевых вентилей у нас изготовляются и германиевые вентили ВГ-10, ВГ-50, ВГВ-200, ВГВ-500 и ВГВ-1000, рассчитанные на токи от 10 до 1 000 а и напряжения 15—150 в. Эти вентили вследствие небольшой величины допустимого обратного напряжения применяются сравнительно редко, главным образом в электрохимической промышленности при больших токах, но малых напряжениях.

В настоящее время все более распространенной становится точка зрения, в соответствии с которой изготовление вентилей, рассчитанных на чрезмерно большие токи, считается нерациональным, так как в этом случае подвод тока к р-n переходу и отвод выделяющегося от него тепла становятся слишком сложными. Так, например, считают, что оптимальная нагрузка на один полупроводниковый элемент находится в пределах 200— 400 а, а для преобразователей, рассчитанных на большую величину тока, рекомендуется включать несколько элементов параллельно.

Все полупроводниковые вентили предусмотрены для работы в устройствах с частотой не более 50—400 гц.

Для работы в установках при частоте до 25 000 гц изготовляются вентили ВКЧ-50, рассчитанные на токи до 50 а и обратное напряжение от 50 до 500 в.

Крупным усовершенствованием неуправляемых кремниевых вентилей является создание так называемых лавинных вентилей типа ВКЛ и ПВКЛ.

Лавинные вентили имеют такие же вольт-амперные характеристики, как обычные вентили, и в них при пороговом обратном напряжении также происходит резкое увеличение обратного тока. Однако в лавинных вентилях обратный ток по площади р-n перехода распределяется равномернее, чем в обычных вентилях, и поэтому в таких вентилях может выделяться значительно (в тысячи раз) большая энергия. Эта энергия примерно равна той, которую вентиль способен рассеивать при прохождении прямого тока. Выделяемая в вентиле энергия зависит от мощности и продолжительности импульса обратного тока.

Лавинные вентили представляют собой более надежный элемент, чем обычные вентили, так как способны выдержать кратковременные атмосферные и коммутационные перенапряжения. Это обстоятельство в свою очередь позволяет проектировать полупроводниковые преобразователи с меньшим запасом по напряжению, благодаря чему значительно уменьшаются размеры и вес этих установок. Большим преимуществом лавинных вентилей является также то, что они могут работать в последовательном соединении без выравнивающих элементов.

Однако стоимость лавинных вентилей превышает стоимость обычных вентилей ввиду их сложного изготовления, поэтому в каждом конкретном случае необходимо оценивать экономическую эффективность их применения.

Бирзниек Л., Полупроводниковые преобразователи. — М., «Энергия», 1967

Экспертиза

на главную