Курсовой проект ТЭ

1,06 В

1,1В

1,3В

1,5В

1,6В

1,8В

1,9В

2,1В

2,2В

2,4В

2,5В

Результаты расчета сведены в таблицу 6.

Таблица 6 - Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора

jпр, А/см2	U, В
20	0,9
50	1,06
100	1,1
200	1,3
300	1,5
400	1,6
500	1,8
600	1,9
700	2,1
800	2,2
900	2,4
1000	2,5

Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора имеет вид, приведенный на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора

Рассчитываем радиальный размер фаски. Для защиты p-n-p-n структур силовых тиристоров от поверхностного пробоя используют фаски.

Для тиристоров используется, как правило, двухступенчатая фаска

(рисунок 8). Угол ₁- выбирается в пределах (30 – 45) ^о, а угол ₂, определяющий стойкость к поверхностному пробою коллекторного перехода, в пределах

(1,5 – 4) ^о. Такая фаска широко используется для тиристоров с напряжением переключения до 4000 В. Радиальный размер фаски определяется как:

L_ф = 3exp(0,00018U_зс.п)-2 [мм].

Рисунок 8 - Двухступенчатая фаска в тиристорах

L_ф = 3exp(0,00018·600)-2 = 1,1 (мм).

Определяем коэффициент, учитывающий потери активной площади за счет технологической шунтировки перехода j₃. Катодные шунты обычно имеют круглую форму и располагаются по площади эмиттера в виде регулярной системы с квадратным или треугольным расположением (рисунок 9).

а – квадратное расположение; б – треугольное расположение

Рисунок 9 - Расположение шунтов катодного эмиттера

Наличие эмиттерных шунтов приводит к потери общей площади эмиттера, а, следовательно, и нагрузочного тока.

Коэффициент, учитывающий потери активной площади за счет технологической шунтировки перехода j₃:

при расположении шунтов по вершинам квадратов:

,

при расположении шунтов по вершинам треугольников:

.

При треугольном распределении диаметр шунта больше, чем при квадратном, что позволяет легче реализовать данную форму, а также шунты находятся на большем расстоянии друг от друга, что способствует меньшему влиянию шунтирования на скорость распространения проводящей плазмы.

Выбираем расположении шунтов по вершинам треугольников:

Задаёмся различными значениями диаметра выпрямительного элемента d_вэ и расcчитываем активную площадь структуры тиристора:

,

где S_у – площадь, занимаемая управляющим электродом.

Значения d_вэ тиристоров стандартизованы и берутся из ряда чисел: 6, 8, 10, 13, 16, 18, 20, 24, 32, 40, 50, 56, 65, 80, 100, 125, 160, 200 мм. Кроме того, допускаются, но не рекомендуются 22, 25, 27 и 30 мм. При диаметрах выпрямительного элемента менее 18 мм площадь, занимаемая управляющим электродом, имеет величину от 0,05 до 0,1 см²; при диаметрах от 18 до 40 мм - 0,2 см²; от 40 до 60 мм – 0,5 см²; при диаметрах более 60 мм площадь управляющего электрода не менее 1 см². Результаты расчета сводим в таблицу 7.

Вычисляем плотность тока через структуру при прямом токе, равном 2,5 I_ос.ср, и разных значениях d_вэ:

.

Зная плотности тока, по графику зависимости напряжения в открытом состоянии от плотности тока тиристора (рисунок 7) определяем значение прямого напряжения и рассчитываем среднюю мощность прямых потерь Р_ос.ср. для разных значениях d_вэ:

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)

Результаты расчета сведем в таблицу 7. Затем строим график зависимости P_ос.ср.(d_вэ) (рисунок 10).

Наряду с графиком зависимости P_ос.ср.(d_вэ) рассчитываем графики зависимости мощности, рассеиваемой корпусом тиристора штыревой и таблеточной конструкции при заданных значениях максимально допустимой температуры структуры и температуры корпуса, и строим их на графике P_ос.ср.(d_вэ) (см. рисунок 10):

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к),

где Т_пер. - температура перехода;

Т_кор. - температура корпуса;

R _т(п-к) – тепловое сопротивление переход-корпус.

1)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·2,12=1060Вт

2)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·1,85=925Вт

3)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·1,68=840Вт

4)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·1,58=790Вт

5)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·1,5=750Вт

6)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·1,42=710Вт

7)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·1,33 =665Вт

8)

P_ос.ср. = I_ос.ср.U_пр(j_пр.)= 500·1,27=635Вт

Таблица 7 - Средняя мощность прямых потерь Р_ос.ср. для разных

значенииях d_вэ

dвэ, см	Sак, см2	j*пр, А/см2	Uпр, В	Рос.ср, Вт
1,8	1,7	735	2,12	1060
2,0	2,2	568	1,85	925
2,2	2,8	446	1,68	840
2,4	3,46	361	1,58	790
2,6	4,16	300	1,5	750
2,8	4,9	255	1,42	710
3,0	2,75	217	1,33	665
3,2	6,64	188	1,27	635

1 – средняя мощность прямых потерь в открытом состоянии; 2 - мощность, рассеиваемая корпусом тиристора штыревой конструкции; 3 - мощность, рассеиваемая корпусом тиристора таблеточной конструкции; 4 – заданная мощность, рассеиваемая корпусом

Рисунок 10- Зависимость мощности тиристора от диаметра выпрямительного элемента

где Т_пер. - температура перехода;

Т_кор. - температура корпуса;

R _т(п-к) – тепловое сопротивление переход-корпус.

Для построения графика зависимости можно пользоваться приближенными значениями тепловых сопротивлений переход-корпус тиристоров, приведенными в таблице 8.

Таблица 8 - Значения тепловых сопротивлений переход-корпус тиристоров

Диаметр выпрямительного элемента, dвэ, мм	Тепловое сопротивление переход-корпус R т(п-к),оС/Вт
	Штыревой корпус		Таблеточный корпус
	паяные контакты	прижимные контакты
6	2,3	-	-
8	1,4	-	-
10	1,2	-	-
13	0,7	0,4	-
16	0,4	-	-
18	-	0,26	-
20	-	-	0,11
24	-	0,16	0,08
32	-	0,1	0,055
40	-		0,04
50	-		0,03
56	-		0,025
65	-		0,02
80	-		0,015

Если нет специальных ограничений, значение максимально допустимых температур переходов тиристоров Т_пер устанавливают в зависимости от их повторяющихся импульсных обратных напряжений U_зс.п. Значения температур корпусов, при которых устанавливаются предельные токи тиристоров, также зависят от U_зс.п. Обычно если U_зс.п не более 1600 В температура перехода 190 ^оС, а температура корпуса 125 ^оС. Результаты расчета приведены в таблице 9.

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к),

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к)= (190-125)/0,26=250 Вт

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к)= (190-125)/0,11=591 Вт

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к)= (190-125)/0,16=406 Вт

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к)= (190-125)/0,08=812 Вт

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к)= (190-125)/0,1=650 Вт

P_рас. = (T_пер – T_кор)/R_т(п-к)= (190-125)/0,055=1182 Вт

Таблица 9 - Мощность, рассеиваемая корпусом тиристора

Диаметр выпрямительного элемента, dвэ, мм	Мощность, рассеиваемая корпусом тиристора
	Штыревой корпус	Таблеточный корпус
18	250	-
20	-	590
24	406	812
32	650	1182

Диаметр выпрямительного элемента выбирают так, чтобы мощность, рассеиваемая корпусом той или иной конструкции Р_рас, была не менее Р_ос.ср, но и не более Р_рас≤ 1700 Вт, заданной в задании. При выборе d_вэ исходят также из минимальных затрат материала. Диаметр выпрямительного элемента должен быть из стандартного ряда. В рассматриваемом примере d_вэ = 2,3 см. Для выбранного диаметра выпрямительного элемента вычисляют активную площадь структуры тиристора. Здесь же выбирают тип конструкции корпуса тиристора.

=

Выбираем таблеточную конструкцию корпуса.

1.5 Расчет основных параметров тиристоров

1. Импульсное напряжение в открытом состоянии U_ос.и определяют следующим образом. При выбранном d_вэ и известном S_акт. рассчитываем плотность прямого тока, соответствующую току I_ос.ср: j_ос.max= (I_oc.cp)/S_акт. Затем по зависимости j_пр(U_пр) (см. рисунок 7) определяем U_ос.и= f (j_ос.max).

j_ос.max= (I_oc.cp)/S_акт

j_ос.max= (3,14· 500)/3,13 = 501,6 А/м²,

U_ос.и= f (501,6) = 1,75 В.

2. Повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии:

,

где n_i и _pⁿ¹ соответствуют температуре 125 ^оС, _pⁿ¹  Т^3/2, а W_о и _n1 – анодному напряжению равному U_зс,п.

Толщина слоя объемного заряда W_о = W_оn1 + W_оp2, причем W_on1 и W_оp2 вычисляются при U_зс = U_зс,п. Коэффициент переноса дырок через базу n₁ также определяется при U_зс, = U_зс,п., используя формулы :

(мкм);

мкм

W_о = 40+19,8 = 59,8 мкм;

мкм;

;

(А).

3. Ударные токи в открытом состоянии. Из практики известно, что плотность ударного тока в открытом состоянии j_{ос.удар} меняется от 1,5 кА/см² при W_Si = 400 мкм до 1 кА/см² при W_Si = 800 мкм. Находим j_{ос.удар}, соответствующее рассчитанной по формуле (10) толщине кремниевой пластины, а затем

I_ос.уд. = j_ос.уд.S_акт.

W_Si = 490 мкм, j_{ос.удар} = 1,4 кА/см², I_ос.уд. = 1,4·_.3,13 = 4,4 кА.

4. Время включения приближенно равно среднему геометрическому времени диффузии в n₁ (t₁) и p₂ (t₂) областях:

,

где и вычисляются при температуре 20 ^оС.

с;

с;

с.

5. Время выключения. Расчет времени выключения проводится при максимально допустимой температуре структуры 125 ^оС по следующей формуле:

,

где Q(t₁) – избыточный заряд дырок в базе n₁ в момент времени t₁,

;

Q_кр. – критический заряд включения тиристора;

Q_нак. – избыточный заряд неравновесных носителей, накопленный в базах,

;

Q_j1 – заряд обедненной области перехода j₁ при обратном напряжении, прикладываемом к тиристору в процессе выключения,

Скорость спада тока в открытом состоянии принимается для отечественных тиристоров =200 А/мкс. Для отечественных тиристоров

= 100 В/мкс. U_обр – обратное напряжение, прикладываемое к тиристору в процессе выключения, для отечественных тиристоров U_обр = 100 В.

W_on(U_обр) и _pⁿ¹ вычисляются при U_зс = U_обр

49,3 (мкм)

(мкс)

151,9·10Кл/м²;

Q_кр = 268·10^-9 Кл/см²;

мкс.

Заключение

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления, температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duA/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.

Полученные расчеты дают нам данные о поведении тиристора; его будущих размерах, при создании; возможностях тиристора; направлении сферы применения в заданных условиях и др. Все это позволяет производить моделирование тиристора и производить тестирование на практике, если ему будет найдено место.

Список литературы:

1. Тейлор П. Расчет и проектирование тиристоров: Пер. с англ.- М.:

Энергоатомиздат, 1990, 208с.

2. Шеховцов В. П. Расчет и проектирование схем электроснабжения.

Методическое пособие для курсового проектирования. – М.: ФОРУМ:

ИНФРА-М, 2005, 214 с. (Проф. изд.)

3. Елисеев В., Мартыненко В., Мускатиньев В., Чибиркин В. Современные

отечественные полупроводниковые приборы. Ж.: Электроника, 2008.

4. Герлах В. Тиристоры. М.: Энергоатомиздат, 1985, 328 с.

5. Евсеев Ю. А. Силовые полупроводниковые приборы: учебник для

техникумов/ Ю. А. Евсеев, П. Г. Дерменжи. М.: Энергоиздат, 1981, 472 с.

6. Евсеев Ю.А Силовые полупроводниковые приборы: учебник для техникумов

Ю.А. Евсеев, П.Г. Дерменжи. М.: Энергоиздат, 1981. 472 с.

7. Крутякова М.Г. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования:

учебник для техникумов / М.Г.Крутякова, Н.А. Чарыков, В.В. Юдин. М.:

Радио и связь, 1983. 352 с.

8. Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры:

справочник / В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. М.: Радио и

связь, 1988. 576 с.

9. Маслов А.А. Электронные полупроводниковые приборы. М.: изд-во

«Энергия», 1967. 367 с.