Выходные устройства — Терморегуляторы Термодат — промышленные приборы нового поколения для измерения и регулирования температуры

В регуляторах Термодат для управления нагревателями и другими исполнительными устройствами используются следующие выходные устройства:

• электромагнитные реле;
• транзисторный выход для управления внешними силовыми устройствами;
• выходы для непосредственного включения симисторов;
• аналоговые выходы (стандартный аналоговый выход).

Электромагнитные реле — выходы Р

В приборах Термодат применяются реле двух типов. Реле РЭК-51 — одно из лучших отечественных реле, имеет высокую надежность, способно коммутировать ток до 5А на активной нагрузке при переменном напряжении 220 В. Реле BS115 фирмы Bestar имеет прекрасные характеристики, малые размеры, коммутирует до 10А при переменном напряжении до 220 В.

В большинстве приборов Термодат используется только один нормально разомкнутый контакт реле — то есть контакт реле разомкнут если прибор выключен. Однако, режим работы реле можно задать программно, изменяя параметры в третьем уровне режима настройки. В одном режиме контакты реле буду замкнуты при температурах ниже уставки и разомкнуты при температуре выше уставки, в другом режиме контакты реле будут разомкнуты при температурах ниже уставки и замкнуты при температуре выше уставки.

Следует помнить, что ресурс работы контактов реле зависит от коммутируемого тока, напряжения и индуктивности нагрузки. Чем выше ток коммутации, тем сильнее эрозия контактов из-за искрообразования. Поэтому при токах выше 3А желательно использовать вторичные силовые реле или пускатели, или тиристорные устройства. Запрещается использовать выходные реле приборов Термодат для коммутации токов более 5А.

Индуктивность нагрузки значительно уменьшает надежность и износостойкость реле. При использовании индуктивной нагрузки обязательно следует применять искрогасящие цепочки. Поскольку двигатели, вентиляторы, пускатели, электроклапаны, звонки являются индуктивной нагрузкой, остановимся на этом вопросе подробнее. При коммутации индуктивных нагрузок наиболее тяжелыми для контактов является процесс размыкания цепи, так как во время размыкания контактов происходит основной износ их из-за образования искрового разряда и дуги. При размыкании индуктивной нагрузки возникают перенапряжения, усиливается дуга и увеличивается ее длительность. Эрозия контактов реле при коммутации индуктивной нагрузки возрастает с увеличением коммутируемых токов и напряжений, а также постоянной времени коммутируемой цепи.

Индуктивная нагрузка при коммутации токов от 0,5 до 1,0 А снижает износостойкость реле по сравнению с активной нагрузкой в 2-2,5 раза. Кроме того, коммутация индуктивных нагрузок вследствие значительного искрения и дугообразования может привести к снижению сопротивления изоляции и пробою электрической изоляции между контактами из-за осаждения на поверхности цоколя продукта износа контактов. Поэтому для увеличения износостойкости контактов, коммутирующих индуктивную нагрузку, необходимо в аппаратуре применять искрогасительные контуры, которые следует включать параллельно контактам или нагрузке. Простейшая и достаточно эффективная искрогасительная цепь — RC цепочка, включенная параллельно контактам реле. Номиналы резистора и конденсатора следует подбирать опытным или расчетным путем. Для большинства пускателей и других обычных нагрузок цепей переменного тока напряжением 220 В наиболее приемлемыми являются значения R от 10 до 30 Ом, С от 0,1 до 1 мкФ. Расчетный путь не дает более точных результатов. Процесс искрообразования зависит, оказывается, не только от индуктивности нагрузки, но даже от типа и конструкции магнитопровода. Если речь идет о серийной продукции, то обязательно следует провести испытания. Снять с реле кожух и опытным путем по величине искры подобрать RC или иную, более сложную цепочку. Затем необходимо провести ресурсные испытания.

При коммутации нагрузок, имеющих емкостной характер наиболее тяжелым для контактов является момент замыкания цепи, когда бросок тока может вызвать сваривание контактов. Поэтому для ограничения тока заряда емкости следует последовательно с ней включать добавочное сопротивление. В цепь реле для его защиты обязательно следует установить плавкие предохранители. Номинал предохранителя должен быть выбран исходя из мощности используемой нагрузки в диапазоне от 1 до 5 А.

Транзисторный цифровой управляющий выход Т

Транзисторный выход предназначен для управления мощностью нагрева с помощью внешних блоков. Выходное напряжение 5В, ток до 30мА. Выход Т может работать в двух режимах — в режиме передачи цифрового кода и в режиме прямой реализации метода равномерного распределения рабочих полупериодов.

Режим равномерного распределения рабочих полупериодов

В этом режиме к выходу Т подключается один симисторный блок СБ (для однофазной нагрузки), либо три блока СБ (для трехфазной нагрузки). В блоках СБ используются элементы МОС3082, обеспечивающие гальваническую (оптоэлектронную) развязку управляющих цепей от силовых. Кроме того, элементы МОС3082 открывают симистор в момент, когда напряжение на нем равно нулю (точнее, близко к нулю). При включении симисторов в нуле прибор создает минимальные помехи в сети, даже при коммутации большой мощности. Кроме того, сами симисторы работают в мягком режиме и их надежность резко увеличивается.

Управляющий сигнал на выходе Т реализует метод равномерного распределения рабочих сетевых полупериодов. Нагрузка включается каждые 10мсек, то есть каждый сетевой полупериод. Выводимая мощность распределяется равномерно по 1024 полупериодам. Если наблюдать форму выходного сигнала осциллографом то при малых выводимых мощностях будут видны отдельные прямоугольные импульсы амплитудой 5В и длительностью 10мсек. В течение этого времени происходи однократное включение симистора. Симистор включается в момент прохождения фазы через ноль и момент включения может не совпадать с началом импульса. Но в любом случае каждому импульсу длиной 10 мсек будет соответствовать одно включение симистора на один полупериод. По мере увеличения выводимой мощности интервал между импульсами будет уменьшаться. При 50% мощности выходной сигнал будет собой представлять меандр — расстояние между импульсами равно длине импульсов (10 мсек). Далее отдельные импульсы начнут сливаться и при мощностях, близких к 100% на выходе почти все время будет уровень сигнала 5В с редкими прямоугольными провалами до 0В длительностью 10мсек, в течение которых симисторы будут выключаться.

Режим передачи цифрового кода

В этом режиме по выходу Т в цифровом виде передается требуемая мощность нагревателя в виде цифрового последовательного кода. При этом к выходу могут быть подключены силовые устройства с микропроцессорным управлением. Блок ФИУ реализует фазоимпульсное управление симистором. Суть фазоимпульсного управления заключается в том, что симистор каждый полупериод открывается не вблизи нуля, а с регулируемой фазовой задержкой от 0 до 180 градусов. При этом эффективное напряжение на нагревателе изменяется от 0 до максимального. Цифровой выход D может быть использован для подключения цифро-аналогового преобразователя и формирования стандартного токового или потенциального сигнала.

Выходы для непосредственного управления симисторами C

Приборы Термодат имеют выходные оптоэлектронные устройства для непосредственного управления симисторами. К этому выходу могут быть непосредственно подключены симисторы или тиристоры. В приборах Термодат используются элементы МОС3082, обеспечивающие гальваническую (оптоэлектронную) развязку управляющих цепей от силовых. Кроме того, элементы МОС3082 имеют встроенный детектор фазы и открывают симистор в момент, когда напряжение на нем равно нулю (точнее, близко к нулю). При включении симисторов в нуле прибор создает минимальные помехи в сети, даже при коммутации большой мощности. Кроме того, сами симисторы работают в мягком режиме и их надежность резко увеличивается. При использовании выходов типа C управление мощностью производится по методу равномерного распределения рабочих полупериодов. При подключении симисторов к регулятору следует знать следующие основные положения.

Выходной ток МОС3082 может достигать 1А, но только в момент поджига симисторов, поэтому нельзя использовать этот выход как релейный, нагружая постоянной нагрузкой.

Не все симисторы поджигаются МОС3082. Например, устаревшие симисторы типа ТС161 требуют однополярного сигнала поджига и не могут быть использованы с МОС 3082. Кроме того, при подключении симисторов следует учитывать ограничение по выходному управляющему току МОС3082. Нельзя непосредственно к элементам МОС3082 подключать мощные симисторы, рассчитанные на токи выше 100А (например, ТС162). Ниже в таблице мы приводим список рекомендуемых нами симисторов для непосредственного подключения к приборам Термодат. Следует подчеркнуть, что рабочие токи, коммутируемые симисторами, зависят от температуры симисторов. Все симисторы должны устанавливаться на радиаторы (охладители). Радиаторы можно использовать покупные, поставляемые с симисторами, или изготовленные своими силами.

Тип симистора	Предельный ток	Рекомендуемый ток при постоянном включении
ТС142-80	80А	45А
ТС152-80	80А	45А
ТС142-50	50А	30А
ТС132-40	40А	25А
ТС122-25	25А	15А
ТС106	10А	6А
КУ208	5А	3А
МАХ242	40А	30А

К одному выходу может быть подключен только один симистор.

Каждый выходной симистор может быть подключен к любой фазе, то есть, например, в десятиканальном приборе, три выхода могут быть подключены к фазе А, три к фазе В, остальные четыре — к фазе С.

Более мощные симисторы, например типа ТС261 могут быть подключены к прибору через промежуточный усиливающий симистор.

В качестве силовых элементов могут быть использованы тиристоры, включенные встречно. Нельзя включать мощные тиристоры без промежуточных усиливающих симисторов.

Аналоговый выход А (стандартный аналоговый сигнал)

Этот выход используется для управления пневматическими исполняющими устройствами, пневмоклапанами, задвижками. Выходной сигнал может быть стандартным аналоговым (4-20 мА или 0-5мА) или потенциальным (0-5В). В приборах предусмотрена возможность инверсии сигнала (максимальной мощности регулятора в этом случае соответствует минимальный аналоговый выходной сигнал) и возможность ограничения максимального уровня сигнала.

Способы подавления помех от терморегулятора

При всех процессах замыкания и размыкания цепи электрическими контактами и электронными ключами наблюдаются радиопомехи, обусловленные резким изменением тока в коммутируемой цепи. Уровень радиопомех определяется крутизной фронтов образующих импульсов, их амплитудой, длительностью. Поскольку регуляторы температур, как правило, коммутируют мощные нагрузки, следует принимать специальные меры для уменьшения помех.

При коммутации индуктивной нагрузки контактами реле уровень создаваемых радиопомех резко уменьшается искрогасительными цепями. Искрогасители эффективно работают только в цепях с индуктивной нагрузкой там где имеется необходимость в снятии перенапряжения при размыкании контактов. Поэтому в электронагревательных приборах, при прямом управлении ТЭНами и спиралями их применять не следует. В качестве помехоподавляющего устройства в этом случае достаточно применение симметричного конденсатора (например К73-21) емкостью 0,1 — 0,22 мкФ, подключаемого к сетевым зажимам питания нагрузки.

Интенсивным источником индустриальных помех принято считать коммутационные устройства на симисторах и тиристорах. Мощные высокочастотные помехи возникают в сети переменного тока в момент включения, если зажигание тиристоров происходит при максимальной амплитуде напряжения — угол отсечки около 90. По этой причине схемы с фазоимпульсным управлением являются очень шумящими в диапазоне частот от 0,1 до 15 МГц, и следует применять специальные меры для подавления помех. По нашим представлениям, фазоимпульсное управление следует использовать только в случае особой необходимости.

Напротив, при включении симисторов в нуле (угол отсечки около 0, напряжение не более 15В) создаются минимальные помехи, уровень которых ниже, чем при включении нагрузки с помощью реле и пускателей. В приборах Термодат поджиг в нуле осуществляется специальными оптоэлектронными устройствами МОС3082, имеющими в своем составе определитель момента прохождения напряжения через ноль.

Мощные высоковольтные тиристоры для импульсных применений, производства «Протон-Электротекс» | Публикации

Разработка полупроводниковых ключей, способных коммутировать короткие импульсы тока амплитудой от десятков до сотен килоампер, актуальна для развития импульсных источников питания мощной электрофизической аппаратуры. Импульсные тиристоры широко применяются в качестве таких ключей [1].

Заказчики предъявляют к мощным импульсным тиристорам ряд специфических технических требований [2-5], которым не может удовлетворить обычный серийный тиристор. К таким требованиям, в частности, относятся:

1. Коммутация импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс. Типичные требования — 2000 −10000 А/мкс.
2. Коммутация коротких импульсов тока высокой амплитуды. Отношение амплитуды тока в коммутируемом импульсе к величине среднего тока тиристора может достигать числа 100 и более.
3. Синхронное включение тиристоров в составе последовательной сборки при коммутации импульсов тока с высокой скоростью нарастания.

При коммутации импульсов со скоростью нарастания тока (di/dt) свыше 1000 А/мкс, возникают существенные затруднения, связанные с неодновременным включением тиристорного элемента по всей площади.

Кардинальным решением этой проблемы является использование тиристоров с ячеистой «многоэмиттерной» топологией, применяемой для Gate Turn-Off thyristors (GTO) и Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT) [6], т. к. вследствие малого поперечного размера каждой эмиттерной ячейки такой тиристор включается практически одновременно по всей площади. Однако, для такого прибора, значительная часть площади (50% и более) используется для размещения области управления (gate) и не участвует в проведении тока, что сильно снижает допустимую амплитуду импульса тока.

Другим решением является применение специального импульсного прибора Реверсивно Включаемого Динистора (РВД) [7]. Включение такого прибора также происходит по всей площади, что позволяет достигать наибольших на сегодняшний день для полупроводниковых ключей амплитуд импульсного тока [8]. Недостатком является весьма сложная аппаратура, необходимая для запуска РВД, по своей стоимости сопоставимая со стоимостью основного ключа.

Таким образом актуален поиск конструктивно-технологических решений, позволяющих увеличить допустимый импульсный ток «традиционного» импульсного тиристора. Ниже рассмотрен комплекс технических решений, позволивший создать импульсный тиристор, способный коммутировать импульсы тока с экстремально высокой амплитудой в важном для практических применений диапазоне длительности 100-1000 мкс.

Особенности конструкции и технологии изготовления

Полупроводниковые слои.

Низколегированная p-база. В полупроводниковом элементе реализована относительно низколегированная p-база (слоевое сопротивление под n-эмиттером 500-1000 Ом/квадрат). При этом диффузионные процессы ее формирования оптимизированы таким образом, чтобы получить максимальное «встроенное тянущее электрическое поле» в пределах этого слоя. Это позволяет минимизировать время пролета p-базы электронами, инжектированными из n-эмиттера и получить минимальные значения времени задержки включения. Следовательно, при каскадном включении (вспомогательный тиристор — основной тиристор), становится минимальным время, когда ток проводит только вспомогательный тиристор, что существенно увеличивает di/dt — стойкость.

Соответственно, имеется возможность кардинально снизить разброс задержек включения тиристоров в последовательной сборке.

На рис. 1 приведена типичная зависимость времени задержки включения для экспериментального тиристора от значения исходного блокирующего напряжения.

Рис. 1. Типичная зависимость времени задержки включения от анодного напряжения. Скорость нарастания тока управления 2А/мкс, скорость нарастания анодного тока 5000 А/мкс.

Видно, что время задержки включения не только мало по своей абсолютной величине, но, вдобавок, монотонно уменьшается при увеличении анодного напряжения, что объясняется уменьшением времени пролета носителей заряда через базовые слои тиристора при увеличении исходного анодного напряжения.

Такая зависимость времмени задержки включения приводит к «конвергенции» разброса времени включения при работе тиристоров в последовательном соединении. Разброс времен включения отдельных тиристоров в последовательной сборке приводит к перераспределению напряжений между тиристорами на начальном этапе включения: на тиристорах с меньшими значениями tdon анодное напряжение уменьшается, а на тиристорах с большими значениями tdon — увеличивается.

При этом, значения tdon при работе в последовательной сборке, в соответствии с зависимостью от напряжения (см. рис. 1) будут уменьшаться или увеличиваться, по сравнению со значением, измеренным на отдельных тиристорах. Таким образом, при работе тиристоров в последовательном соединении происходит некоторое сужение диапазона разброса значений задержек включения по сравнению с таковым, измеренным на отдельных тиристорах, составляющих сборку.

Исследования [9] показали, что, при типичной для импульсных тиристороров «Протон — Электротекс» «негативной» зависимости tdon от анодного напряжения, диапазон разброса значений tdon при работе в последовательном столбе сужается примерно в два раза.

P-эмиттер с контролируемой эффективностью. В полупроводниковом элементе «традиционного» силового тиристора обычно выдерживается отношение толщины n-базы (Wn) и значения амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в этом слое (L) не менее 3 (Wn/L>3). Это соотношение обусловлено необходимостью иметь вполне определенный (на уровне ~0.8 при высоком напряжении) коэффициент усиления по току p-n-p транзистора в составе четырехслойной тиристорной структуры для обеспечения требуемых значений блокирующих напряжений и du/dt — стойкости. При этом, однако, во включенном состоянии, распределение по толщине структуры концентрации избыточных электронно-дырочных пар существенно неоднородно, а, следовательно, неоднородно и распределение напряженности электрического поля (см. рис. 2).

В импульсных тиристорах производства «Протон-Электротекс» для поддержания требуемого значения коэффициента усиления по току p-n-p транзистора применяется p-эмиттер специальной конструкции — так называемый полупрозрачный эмиттер (transparent emitter). Используемые диффузионные технологии его формирования вместе с низкотемпературной технологией формирования анодного омического контакта (синтеринг) позволяют с высокой степенью воспроизводимости регулировать его коэффициент инжекции и добиться его малого разброса по площади силовой полупроводниковой структуры.

Применение p-эмиттера с контролируемой эффективностью позволяет уменьшить соотношение Wn/L до 1 и менее. В результате получаем более равномерное распределение напряженности электрического поля по толщине структуры (см. рис. 2).

Т.к. объемная плотность мощности потерь является произведением напряженности электрического поля на плотность тока, то для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности имеем меньшую локальную плотность мощности потерь (и плотность энергии потерь), чем для структуры традиционного тиристора при идентичном падении напряжения. Для коротких импульсов тока, когда процессы тепловыделения можно считать адиабатическими, это приводит к примерно на 20% меньшему локальному перегреву для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности.

Таким образом энергия, применение этого конструктивно-технологического решения позволяет в сравнении с «традиционным» тиристором, обладающим идентичной ВАХ во включенном состоянии, получить до 20% преимущества по допустимой энергии потерь при коммутации коротких импульсов тока с высокой амплитудой.

Рис. 2. Распределения концентрации избыточных электронно-дырочных пар (а) и напряженности электрического поля (б) по толщине кремниевой тиристорной структуры с эмиттером контролируемой эффективности (1) и структуре «традиционного тиристора» (2). Тиристорные структуры во включенном состоянии, проводят ток плотностью 2000 А/см2, имеют при этом идентичное падение напряжения 5.0 В.

Топология

Управляющий электрод с высокой степенью разветвления, позволяет безопасно коммутировать импульсы тока с высокой скоростью нарастания и осуществлять быстрое включение тиристорной структуры по всей активной площади.

Применяемые топологии и достижимые импульсные характеристики приведены в Табл 1. Для тиристорных элементов каждого диаметра разработаны и применяются по два варианта топологии: с «максимальным» и с «оптимальным» разветвлением. Вариант с максимальным разветвлением предназначен для коммутации импульсов тока с наибольшей скоростью нарастания, однако из-за больших потерь площади на размещение управляющего электрода уступает второму варианту по допустимой амплитуте импульсов тока при длительности этих импульсов более 200…300 мкс. Вариант с «оптимальным» разветвлением оптимизирован для коммутации импульсов тока максимальной амплитуды при длительностях свыше 300 мкс. Эта топология рассчитана таким образом, чтобы при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания 3-8 кА/мкс разброс плотности энергии потерь и температуры перегрева по площади полупроводниковой структуры был незначительным.

В качестве примера на рис. 3 приведены расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4,5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Зависимости приведены для тиристора 28 класса с диаметром элемента 100 мм.

Рис. 3. Расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4.5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Тип тиристора: диаметр элемента 100 мм, UDRM=URRM=2800В.

Из рисунка видно, что плотность тока в процессе распространения включенного состояния не превышает максимума, который соответствует максимальному значению анодного тока.

Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками приведена на рис. 4. Видно, что максимальная разница температуры между горячей и холодной точками не превышает 18°С. Она достигается в момент времени полного включения всей площади полупроводниковой структуры и далее уменьшается с тесением времени. В момент достижения абсолютного максимума температуры (400 мкс) разница температуры снижается примерно до 10°С. При этом следует иметь в виду, что температура абсолютного максимума эквивалентной структуры, включающейся одновременно по всей площади (например РВД) будет лежать между температурами горячей и холодной точек тиристора.

Следовательно локальный перегрев тиристорной структуры относительно РВД в приведенном режиме не превысит 5-7°С.

Рис.4. Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками тиристорной структуры.

«Распределенный» вспомогательный тиристор. Конструкция современного тиристора с большой площадью кремниевого элемента как правило содержит разветвленный управляющий электрод (РУЭ) и вспомогательный (усилительный) тиристор (ВТ), катод которого соединен с РУЭ, а анод — общий с основной тиристорной структурой. Назначение ВТ — сформировать «усиленный» импульс тока управления, подающийся на РУЭ, который имеет значительную длину периметра. Обычно структура ВТ формируется в виде достаточно узкого кольца, шириной около 1 мм, окружающего основной управляющий электрод тиристора. Для функционирования тиристора в обычных режимах этого достаточно, т.к. после включения основного тиристора по периметру РУЭ происходит быстрый «перехват» анодного тока и ВТ либо отключается, либо плотность тока в нем снижается до «безопасных» пределов.

Однако, при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс, как показали исследования, снижение плотности тока, протекающего через ВТ происходит достаточно медленно, а амлитуда тока может достигать значительных величин.

Чтобы «разгрузить» структуру ВТ, т.е уменьшить плотность протекающего через него тока, на импульсных тиристорах «Протон-Электротекс» применяется т.н. распределенный ВТ, представляющий из себя «полноценную тиристорную структуру, площадью около 0,5 кв.см для элементов диаметром 56 мм и около 1-2 кв. см. для элементов диаметром 80-100 мм (рис. 5). Исследования показали, что применение подобной структуры ВТ позволяет снизить локальный перегрев этой структуры до величины, меньшей, чем максимальный перегрев основной структуры.

Рис.5. Кремниевый элемент импульсного тиристора с «распределенным» ВТ и «мелкой» катодной шунтировкой.

«Мелкая» катодная шунтировка. Применена распределенная катодная шунтировка n-эмиттера с размером элементарного шунта около 100 мкм. Типичная величина амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в n-базе составляет около 400 мкм. Таким образом, применив такую шунтировку, удается получить равномерное распределение концентрации избыточных-электронно-дырочных пар без локальных «провалов» под местами расположения катодных шунтов и, следовательно, использовать всю активную площадь тиристорной структуры для проведения тока.

Контакты

Контакт анода полупроводниковой структуры с молибденовым диском-термокомпенсатором осуществляется с помощью технологии низкотемпературного спекания на слой мелкодисперсной серебряной пасты (синтеринг) [10]. Эта технология представляет собой процесс низкотемпературного (около 250С) спекания серебряной пасты практически в монолитное серебро. В применении к импульсным тиристорам дает следующие преимущества.

— Процесс идет при 250С, а традиционно применяемый для соединения с молибденовым диском процесс сплавления (вакуумной пайки на силумин) — при около 700°С. Поэтому после синтеринга получаем в «пакете» кремний-молибден значительно меньшие остаточные деформации и внутренние механические напряжения. В результате — повышение ресурса по циклостойкости [11-12] (а для режимов коммутации токов с требуемой амплитудой это архиважно, т.к. пропускание каждого импульса тока сопровождается очень жестким термоциклом как раз для соединения кремний-молибден, т. к. кремний разогревается более, чем до 200°С, а молибденовый диск за исключением неглубокого слоя, прилегающего к кремнию, остается холодным.

— При традиционном процессе сплавления поверхностные слои кремниевой структуры растворяются силумином. При этом становится невозможным гарантировать идентичность свойств анодного эмиттера на площади структуры (даже в случае, если это традиционный не «полупрозрачный» p-эмиттер). В результате для традиционной технологии имеем повышенный разброс плотности тока по площади структуры. Технология синтеринга этот недостаток исключает [13].

— В традиционном процессе сплавления чрезвычайно сложно добиться равномерного остывания по всей площади структуры (особенно, если эта площадь большая). В результате, процесс кристаллизации силумина в соединительном шве начинается, обычно, с периферии и, затем распростаняется в направлении центра дискообразного пакета кремний-молибден. Это приводит к неравномерности толщины шва по диаметру, см. рис. 6.

Рис. 6. Неравномерность толщины «сплавного» шва по диаметру, возникающая из-за неравномерного остывания при кристаллизации силумина

Наличие такой неоднородности толщины шва мало влияет на свойства анодного контакта, однако может серъезно ухудшить катодный (прижимной) контакт.

В технологии синтеринга высокая равномерность толщины шва гарантирована.

Прижимной катодный контакт. Для обеспечения надежного прижимного катодного контакта применяется катодная прокладка из молибдена со специальным покрытием. Выбор сделан в результате длительных и объемных исследований разных вариантов материалов и покрытий. Применяемая прокладка обеспечивает высокую циклостойкость контакта, малое электрическое и тепловое сопротивление, отсутствие деградации при длительной эксплуатации, в том числе при коммутации большого числа (свыше 100000) импульсов тока высокой амплитуды. Рассмотренные выше конструктивно-технологические решения известны и, по отдельности, применяются для улучшения импульсных свойств тиристоров рядом фирм — производителей. Однако, только совокупность этих технических решений, примененная с учетом современных технологических возможностей, позволила «Протон-Электротекс» организовать серийное производство импульсных тиристоров с уникальным набором характеристик. В качестве примера ниже приведены результаты испытаний экспериментального импульсного ключа на базе последовательной сборки тиристоров 28 класса с диаметром полупроводникового элемента 100 мм [14].

Экспериментальный ключ на импульсных тиристоразх.

Экспериментальные импульсные тиристоры, с повторяющимся импульсным блокирующим напряжением 2800В были изготовлены с применением описанных выше технических решений.

Тиристоры имели кремниевый элемент диаметром 100 мм, который изготавливался на пластинах нейтроннолегированного кремния с удельным сопротивлением 120 Ом*см, толщиной 580 мкм. Топология управляющего электрода показана в табл. 1 (п.5). Эта топология обеспечивает оптимальное время включения тиристора по всей площади при коммутации импульсов, близких по форме к полуволне синусоиды, длительностью 300-1000 мкс. При этом потери площади на размещение области управления минимизированы и составляют всего около 14%, активная площадь тиристорного элемента составляет около 55 см2. Тиристоры имели таблеточную конструкцию корпуса.

Экспериментальный тиристорный ключ состоял из 10 тиристоров в последовательной сборке, рис 7., и вспомогательной сборке из встречнопараллельных диодов.

Рис. 7. Экспериментальный тиристорный ключ.

Испытания проводились в разрядном R-L-C контуре, рис. 8 при начальном напряжении на конденсаторах 24 кВ. Форма импульсов тока и напряжения при разряде показана на рис. 9. При испытаниях ключ устойчиво коммутирует импульсы тока с амплитудой до 250 кА и скоростью нарастания около 4.5 кА/мкс.

Рис. 9. Анодный ток и напряжение на тиристорном ключе.

Таблица 1

Топологии разветвленного управляющего электрода

№	Диам. эл-та, мм	Вид топологии	Допустимая di/dt, А/мкс	Тип. время полного включения, мкс	I2t, А2с
1	56		4000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)	40. ..60	3,0E6 (UDRM=2800 В) 1,8E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
2	56		6000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)	20…30	2,3E6 (UDRM=2800 В) 1,4E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
3	80		6000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	40…60	17,0E6 (UDRM=2800 В) 10,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
4	80		10000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	20…30	10,0E6 (UDRM=2800 В) 6,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
5	100		10000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	40. ..60	37,0E6 (UDRM=2800 В) 24,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
6	100		15000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	20…30	26,0E6 (UDRM=2800 В) 16,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

Литература

[1] M.E.Savage «Final Results From the High-Current, High-Action Closing Switch Test Program at Sandia National Laboratories», IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 28, no. 5, pp. 1451-1455, Oct. 2000.
[2] H. Singh and C. R. Hummer «High action thyristors for pulse power applications», in 12th IEEE Pulse Power Conference, June 1999.
[3] S. Ikeda and T. Araki, » The di/dt capability of thyristors«, Proc. IEEE, no. 8, pp. 1301-1305, 1967.
[4] S.S. Asina, A.M. Surma, «A new design-technology technique for optimization of high power pulse thuristor characteristics», in ELECTRIMACS Conference, Saint-Nazaire, Sept. 1996, pp. 485-490.
[5] W.H. Tobin, «Effect of gate configuration on thyristor plasma properties», in IEE IAS Conference Record, IEE IAS Annual Meeting, 1978.
[6] Linder S., Klaka S. et al., «A New Range of Reverse Conducting Gate-Commutated Thyristors for High Voltage, Medium Power Applications», in EPE’97 Conference, pp. 1.117 — 1.124. 1997.
[7] A. V. Gorbatyuk, I. V. Grekhov, and A. V. Nalivkin, «Theory of quasidiode operation of reversely switched dinistors», Solid-State Electron., vol. 31 , pp. 1483-1491, 1988.
[8] S A. Belyaev, V.G. Bezuglov et al., «New Generation of High — Power Semiconductor Closing Switches for Pulsed Power Applications» in ICPIG Conference, Prague, July 2007.
[9] Chernikov A. A., Goncharenko V. P., Mizintsev A. V., Surma A. M., Titushkin D. A., «Pulse thyristors adapted for synchronous switching-on in series connection during the commutation of current with high rate of rise» in EPE ECCE Conference, Warsaw, September 2017.
[10] H. Schwarzbauer, «Novel Large Area Joining Technique for Improved Power Device Performance», IEEE Transactions on Industrial Applications, 27 (1), 1991, p. 93- 95.
[11] Amro R.; Lutz J. et al. «Power Cycling at High Temperature Swings of Modules with Low Temperature Joining Technique», in ISPSD Conference,Naples, 2006.
[12] C. Göbl, P. Beckedahl, H. Braml, «Low temperature sinter technology Die attachment for automotive power electronic applications» in Automotive Power Electronics Conference, Paris, June 2006, pp. 2-5.
[13] D. Titushkin, A. Surma, «New ways to produce fast power thyristors», Bodo’s Power Systems 08, 2015, p. 28- 29.
[14] Chernikov A. A., Goncharenko V. P., Mizintsev A. V., Surma A. M., Titushkin D. A., «Thyristors for commutation of current impulse with extremely high amplitude» in APEC Conference, Tampa, March 2017.

Черников А.А., Гончаренко В. П., Мизинцев А. В., Сурма А. М., Титушкин Д. А.
АО «Протон — Электротекс», OOO «НИИЭФА ЭНЕРГО»

На что следует обратить внимание при использовании более мощного симистора?

Задавать вопрос

спросил 9 лет, 9 месяцев назад

Изменено 9 лет, 9 месяцев назад

Просмотрено 682 раза

\$\начало группы\$

Я знаком с простой диммерной схемой, теперь я хочу собрать более мощный симистор для использования с мощным нагревателем.

Сопротивление моего нагревателя изготовлено из нихромовой проволоки 9\$\Omega\$ диаметром 3мм. При напряжении 240 В (среднеквадратичное значение) это составляет 25 А (среднеквадратичное значение). У меня есть доступ к сети, способной выдавать 30А, так что теоретически я смогу управлять нагревателем при полной нагрузке. На самом деле я, вероятно, не буду, но, тем не менее, я хочу построить юнит, который мог бы сделать это в теории, если это необходимо.

Мой вопрос: что я должен учитывать при построении простой схемы оптосимистора/симистора/перехода через ноль при переходе от 8А симистора к 40А симистору?

Симистор, который я собираюсь использовать, это: BTB41

Моя схема выглядит так:

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Две вещи, которые я бы проверил:

• ток запуска, ваш симистор требует 50 мА. Если это больше, чем симистор, для которого была разработана ваша схема, вам могут потребоваться некоторые изменения

• охлаждение! При 25А ваш симистор, кажется, рассеивает порядка 25. .35Вт. При Tc 75С и предполагаемом Tamb 40С это означает теплоотвод 1С/Вт. Это не маленький!

\$\конечная группа\$

4

Зарегистрируйтесь или войдите

Зарегистрироваться через Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

тепло — Как ограничить максимальную мощность, подаваемую на нагреватель через симистор?

\$\начало группы\$

Я использую следующую схему для включения/выключения обогревателя. Работает как шарм. Однако хотелось бы ограничить максимальную мощность, подаваемую на нагреватель. Причины этого:

• обогреватель представляет опасность возгорания при работе на полную мощность
• симистор должен быть рассчитан на довольно большой ток при полном питании нагрузки

Какой самый простой (наименьшее количество дополнительных компонентов) способ ограничить мощность, которую симистор выдает на резистивную нагрузку?

• тепло
• симистор

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Если существующий обогреватель пожароопасен, необходимо выбрать другой обогреватель! Слишком легко может выйти из строя какая-то часть вашей схемы «регулятора» таким образом, что на нагреватель будет подаваться полная мощность.