Как сделать ограничитель напряжения
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 05.10.2024
В статье приводится анализ состояния разработки и производства ограничителей напряжения — эффективных элементов защиты по напряжению радиоэлектронного оборудования от воздействия электрических импульсов различной природы: грозовых, коммутационных, электростатического разряда, а также инициированных электромагнитным полем атомного взрыва. Представлены некоторые физические аспекты работы и сформулированы основные принципы конструирования и технологии изготовления кремниевых ограничителей напряжения.
В статье приводится анализ состояния разработки и производства ограничителей напряжения — эффективных элементов защиты радиоэлектронного оборудования от воздействия электрических импульсов различной природы: грозовых, коммутационных, электростатического разряда, а также инициированных электромагнитным полем атомного взрыва. Представлены некоторые физические аспекты работы и сформулированы основные принципы конструирования и технологии изготовления кремниевых ограничителей напряжения.
Условия повреждения РЭУ
Надежность и работоспособность радиоэлектронных устройств (РЭУ) в значительной степени определяются ее чувствительностью к кратковременным электрическим перегрузкам, причиной которых могут быть электромагнитные поля (ЭП) искусственного или естественного происхождения. Источники таких полей — грозовые разряды, разряды статического электричества, коммутационные процессы, мощные радиопередающие средства, РЛС, высоковольтные ЛЭП и любые другие электромагнитные импульсы, в том числе — эмитируемые ядерным взрывом [1–6].
Различают грозовые, коммутационные и высокочастотные перенапряжения, а также перенапряжения электростатического разряда. Наиболее опасные из них — грозовые и коммутационные.
Грозовые перенапряжения генерируются при прямом ударе молнии в наружные части электроустановок, а также наводятся электромагнитными полями при близких молниевых разрядах.
Коммутационные импульсы имеют место в сетях электроснабжения при коммутационных процессах, в случаях аварийных ситуаций и при отказе оборудования по тем или иным причинам. Различают также периодические импульсы перенапряжения, присущие колебательным процессам в резонансных контурах коммутируемой цепи.
Высокочастотные перенапряжения образуются в условиях производства вследствие дугообразования или искрения контактов при коммутации электросети механическими выключателями.
Импульсы электростатического разряда (ЭСР) возникают при соприкосновении и последующем разделении разнородных материалов в условиях относительно низкой влажности. В частности, ЭСР человеческого тела может превышать 15 кВ при сухом или морозном воздухе, особенно — в условиях синтетических строительных конструкций и материалов.
Осознание опасностей, обусловленных воздействием импульсных перенапряжений на РЭУ, и владение методами и средствами защиты от них приобретают, по мере развития электронной техники— автоматики, связи, аудио, видео, вычислительной, космической, автомобильной, корабельной, авиационной и др., все большую актуальность и значимость.
Устойчивость РЭУ к воздействию катастрофических электромагнитных импульсов находится в центре внимания разработчиков электронной аппаратуры. Особенно важно это для устройств с применением микромощных интегральных схем. Для обеспечения надежности и, соответственно, конкурентоспособности электронных изделий на мировом рынке внутри Европейского Сообщества (ЕС) разработаны и действуют международный стандарт ITC 801 (МЭК 801) и ряд других базовых документов, регламентирующих требования к устойчивости РЭУ к импульсным перегрузкам. Эти стандарты служат критериями выбора при покупке электронного оборудования у различных изготовителей независимо от их географического положения [7].
Элементы защиты РЭУ
Для локальной защиты элементов РЭУ от импульсных перенапряжений в основном применяются три типа приборов [8–10]: газоразрядные трубки (ГРТ), металл-оксидные варисторы (МОВ) и кремниевые ограничители напряжения (ОН). Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. В частности, ГРТ способны шунтировать импульсы огромной энергии, но требуют значительного времени включения. То есть не могут защитить от импульсов короткой длительности. МОВ способны рассеять значительную энергию, однако характеризуются чрезмерной величиной коэффициента перекрытия: отношения импульсного напряжения ограничения к статическому напряжению рабочего состояния схемы. К тому же МОВ подвержены определенной деградации (рост тока утечки) со временем. Кремниевые ОН отличаются высокой скоростью включения — наносекунды и менее, практически не подвержены деградации при использовании их в режимах, рекомендуемых руководством по применению полупроводниковых приборов [11], однако способны шунтировать относительно ограниченное количество энергии. Поэтому зачастую применяют комбинированные устройства защиты, использующие лучшие качества каждого из этих типов защитных элементов, и представляющие собой комбинацию включения различных групп активных элементов защиты (разрядников, полупроводниковых ограничителей напряжения, варисторов, малоемкостных импульсных диодов и т. д.) и пассивных элементов (помехоподавляющих фильтров и конденсаторов), размещенных в едином корпусе.
Однако в большинстве приложений предпочтительно и вполне достаточно применение кремниевых ограничителей напряжения (ОН) — transient voltage suppressors. В частности, для защиты интегральных микросхем от электростатического разряда, отличающегося исключительно малым временем нарастания импульса — от 0,7 до 1 нс и длительностью импульса в пределах 30–60 нс.
Кремниевые ограничители напряжения
Для защиты цепей постоянного тока от импульсов ЭП по напряжению применяются полупроводниковые ограничители напряжения, или стабилитроны с несимметричной вольт-амперной характеристикой (рис. 1а). Несимметричность ВАХ обеспечивает защиту от импульсных ЭП определенной полярности на разных потенциальных уровнях. Пороговое напряжение этих приборов ниже напряжения ограничения, что обеспечивает их автоматическое отключение от цепи постоянного тока после прохождения импульса ЭП. Время включения этих приборов меньше времени самых быстрых переходных процессов, что также определяет предпочтительность их применения в цепях постоянного тока.
Отличие защиты цепей питания переменного тока от цепей постоянного тока — в необходимости использования ограничителей напряжения с симметричной ВАХ (рис. 1б).
Для защиты информационных цепей и цепей переменного тока высокой частоты применяются так называемые малоемкостные ограничители напряжения (рис. 1в), в конструкции которых предусматривается встроенный высоковольтный диод с емкостью не более 100 пФ.
В мире выпускается множество типов кремниевых ограничителей напряжения, различающихся по напряжению пробоя (от 0,7 до 3100 В), рассеиваемой импульсной мощности (от 0,15 до 600 кВт), а также по исполнению — симметричные и несимметричные, в металлостеклянных и пластмассовых диодных корпусах, диодных, транзисторных и микросхемных корпусах для поверхностного монтажа, малоемкостные, малоиндуктивные и пр. Объемы продаж ОН ведущими странами — США, Японией, Германией, Францией, Голландией, Китаем — исчисляются сотнями миллионов долларов [12].
История развития ОН начинается с создания первых приборов этого класса фирмой General Semiconductors Industries, Inc. (США): в 1968 г. спроектировано устройство для подавления импульсов перегрузки, наводимых грозовыми разрядами в системах дальней связи, в 1969 г. — для подавления переходных процессов в самолетной аппаратуре, в 1974 г. разработана серия приборов для защиты интегральных микросхем, в 1971 г. — симметричные ОН. С 1971 г. ОН используются в военных целях, в 1972 г. они применены для защиты от ЭМИ ядерного взрыва.
По функциональному назначению из массива ОН, созданных зарубежными фирмами, можно выделить несколько самостоятельных видов [15]:
Некоторые физические аспекты работы ограничителей напряжения
Основным фактором, поражающим ПП, ИМС и пассивные радиокомпоненты, является воздействие наводимых в цепях РЭУ токов и напряжений значительной амплитуды, приводящих к возникновению в них структурных и конструктивных повреждений. Таким образом, при конструировании и выборе технологии изготовления ОН необходимо следовать принципам оптимизации их конструкции относительно этих паразитных воздействий.
По характеру влияния на параметры ПП первичные и вторичные эффекты делят на обратимые (переходные) и необратимые (остаточные).
Переходные эффекты вызывают временную потерю работоспособности ПП, изменение их внутреннего состояния, выход режима за допустимые пределы и т. п. В этом случае после воздействия импульса ЭП происходит восстановление работоспособности ПП. Необратимые остаточные эффекты (эффекты повреждения) могут носить параметрический характер (выход одного или группы параметров за допустимые пределы) или форму катастрофического отказа.
Воздействие импульсов ЭП, не достигающих уровня повреждения, способно вызывать кратковременные и долговременные нарушения работоспособности ПП, связанные с нарушением электрического и теплового режимов работы.
Импульсный нагрев внутренних областей ПП протекающими токами до температур, которые меньше критических, не вызывает появления необратимых повреждений приборов, однако может стать причиной существенного увеличения времени восстановления его работоспособности.
Если релаксация электрических перенапряжений в ПП происходит со скоростью, определяемой процессами диффузии и дрейфа неравновесных носителей заряда в полупроводнике, и занимает, как правило, не более долей микросекунды, то инерционность тепловых процессов существенно выше и может определять время восстановления параметров в ПП.
Г-образная вольт-амперная характеристика ОН в области относительно небольших токов (миллиамперы) идентична ВАХ стабилитронов (зенеровских диодов).
В области больших токов (амперы), характерных для ОН, имеет место существенное отклонение обратной ветви ВАХ ОН от вертикали. Элементы защиты с подобными вольт-амперными характеристиками при напряжении в защищаемой цепи ниже порогового их срабатывания (включения) не потребляют энергии от цепи, так как их сопротивление в этом случае велико. При возникновении импульса ЭП по напряжению выше порогового напряжения происходит срабатывание прибора по механизму обратимого электрического пробоя. Сопротивление прибора резко уменьшается, в результате происходит шунтирование цепи.
Электрический пробой, вызванный лавинным или туннельным механизмами, характерен для обратносмещенных переходов [16, 17]. Лавинный пробой р-n-перехода происходит вследствие лавинного умножения носителей тока под действием электрического поля большой напряженности (Екр = 10 5 В/см), при котором процесс ударной ионизации основных носителей заряда становится лавинным. Лавинный пробой типичен для слаболегированных переходов. При напряженности электрического поля в кремнии, превышающей 10 6 В/см, что характерно для сильнолегированных низковольтных (Uпроб менее 7 В) р-n-переходов, возникает высокая вероятность туннельного пробоя и начинают протекать заметные туннельные токи.
Одним из основных вторичных эффектов, вызывающих повреждение ПП, является тепловой вторичный пробой, обусловленный выделением значительной тепловой энергии в р-n-переходе за короткий промежуток времени. Тепловой вторичный пробой вызывает резкое уменьшение обратного сопротивления р-n-перехода при подаче на него напряжения, превышающего пробивное.
Анализ характера повреждения р-n-перехода при вторичном пробое показывает, что явление вторичного пробоя в обратносмещенном р-n-переходе есть результат достижения температуры, соответствующей собственной проводимости, в локализованной области на слаболегированной стороне перехода. При такой температуре локальное сопротивление падает, а локальная плотность тока увеличивается. В результате повышения температуры происходит плавление кремния и, как следствие, короткое замыкание р-n-перехода.
Тепловой вторичный пробой является основным видом повреждения р-n-переходов ПП при обратной полярности воздействующего импульса.
Так как импульсный ток через ОН может достигать сотен ампер, крутизна обратной ветви ВАХ ОН определяется не только динамическим сопротивлением p-n-перехода, но и, в значительной степени, падением напряжения на базе, то есть сопротивлением, толщиной и площадью базы:
где Uогр.и — импульсное напряжение ограничения, Iи — импульсный ток, Rд — динамическое сопротивление, Rк, Rв — сопротивления контактов, выводов, σб — удельное сопротивление базы, Wб — толщина базы, Sp–n — площадь p-n-перехода.
К основным характеристическим и эксплуатационным параметрам ОН относятся:
- напряжение пробоя, Uпроб, — измеряется при постоянном тестовом токе, Iпроб.т, и служит для классификации ОН по группам;
- предельно допустимый импульсный ток, Iи.макс;
- предельное импульсное напряжение ограничения, Uогр.и. Соответствует предельно допустимому напряжению в схеме, где ОН используется;
- обратный ток утечки, Iобр, — измеряется при постоянном обратном напряжении, Uобр (Uобр ≈ 0,83Uпроб), которое соответствует обычно рабочему напряжению в схеме, где ОН используется. Характеризует качество химической очистки и диэлектрической защиты p-n-перехода и, по сути, долговременную стабильность прибора;
- время включения (теоретическое), tвкл. Характеризует быстродействие прибора. Зависит от конструкции ОН. Для ОН, работающих на обратной ветви ВАХ, tвкл определяется временем пролета основных носителей через область пространственного заряда обратносмещенного р-n-пререхода (tвкл ≈ 10 –12 с). Для ОН, работающих на прямой ветви ВАХ (ОН стабисторного типа) tвкл определяется временем пролета неосновными носителями базы (tвкл ≈ 10 –9 с).
Принципы конструирования и технологии изготовления ограничителей напряжения
Ограничитель напряжения — силовой прибор, к которому предъявляются специфические требования. В частности, он должен обеспечивать длительную работу, рассеивая без существенного ущерба для себя сотни и тысячи паразитных импульсов значительной мощности.
Достаточно ограниченный объем внешней информации, например [18], а также собственные оценки и экспериментальные результаты позволяют сформулировать основные принципы конструирования и технологии изготовления кремниевых ограничителей напряжения.
Конструкция
- Так как ОН должен выдерживать воздействие мощных импульсов тока, конструкцию его целесообразно делать паяной. Переходные сопротивления соединений в прижимной конструкции приведут к резкому ограничению предельно допустимой импульсной мощности.
- В отличие от стабилитрона ОН подвергается воздействию импульсов тока с плотностью до 10 4 –10 6 А/см 2 . Соответственно необходимо предпринимать специальные конструкционные меры по обеспечению максимальной импульсной электрической прочности ограничителей.
Для этого кристалл ОН необходимо помещать между достаточно массивными теплоотводящими дисками. Металл дисков должен отличаться высокими теплопроводностью и теплоемкостью. Таким образом, целесообразно рассматривать серебро, медь, алюминий. Выбор определяется по критериям стоимости и технологичности. С этой точки зрения предпочтительна медь. Серебро дорого. Алюминий плохо паяется. Медь покрывают либо никелем, либо серебром, что обеспечивает хорошие условия для пайки. Толщина дисков должна быть соизмерима с длиной тепловой волны, распространяющейся при воздействии импульса из области р-n-перехода. В частности, для импульсов с длительностью ~1 мс толщина дисков должна быть не менее 0,5 мм. Увеличение массы (толщины) дисков заметно повышает предельную импульсную мощность и импульсную наработку ограничителей напряжения.
Кристалл
Возможны различные конструктивно-технологические варианты изготовления кристаллов ограничителей напряжения (рис. 2).
При выборе рабочего варианта приходится ориентироваться, во-первых, на наличие необходимого технологического оборудования и, во-вторых, на необходимость обеспечения удовлетворительных технико-экономических показателей: требуемых технических характеристик, надежности, процента выхода годных, себестоимости и т. д.
Эпитаксиальный вариант (рис. 2а) наилучшим образом отвечает основным требованиям к кристаллу ОН. В частности, к выполнению принципа тонкой базы. Однако для кристаллов с Uпроб менее 10 В эпитаксиальный метод становится практически неуправляемым.
Квазиэпитаксиальный вариант, основанный на соединении кремниевых пластин разного типа проводимости методом капиллярного втягивания алюминия с последующей прогонкой алюминия через слой p-кремния (рис. 2б), также неудовлетворителен из-за низкого выхода годных, чрезмерной трудоемкости и относительно большого расхода базового материала — кремния.
Диффузионный способ формирования p-n-структур ограничителей напряжения (рис. 2в). Недостаток этого способа изготовления кристаллов ОН — относительно большая величина базы. Однако анализ экспериментальных данных для диффузионных и эпитаксиальных структур с одним и тем же типом проводимости базы (n-тип) и идентичными значениями Uпроб свидетельствуют о существенном превышении базовых сопротивлений эпитаксиальных структур (ЭС) над базовыми сопротивлениями диффузионных структур (ДС). В частности, соотношение удельных сопротивлений ЭС и ДС для Uпроб ~100 В выглядит следующим образом: 1,5:0,3. Причина — более плавное распределение легирующей примеси (меньший градиент) в диффузионном р-n-переходе, чем в эпитаксиальном, так как относительно резкий эпитаксиальный р-n-переход формируется в режиме кратковременного (~60 мин) низкотемпературного (~1160 °C) процесса. Диффузионные p-n-структуры ОН формируются при температурах порядка 1200–1250 °С в течение 24–60 ч. Таким образом, требование к толщине базового слоя диффузионных структур может быть существенно мягче, чем при использовании эпитаксиальных структур.
Состояние разработки и производства ограничителей напряжения
В России и СНГ производство и применение ОН до сих пор носит ограниченный характер. В последние годы спрос на ОН расширился. Прогнозируется резкое его увеличение по мере накопления опыта применения таких приборов для электрической защиты РЭУ, как коммерческого, так и специального назначения, и в связи с наблюдаемой динамикой рынка электронных приборов, в частности, средств связи и автоэлектроники.
Рассмотрим схемы диодных ограничителей, как диодных ключей, с ненулевым уровнем включения, поскольку такие схемы, как ограничители и диодные ключи, являются наиболее сложными.
Подобным образом можно ограничивать и импульсы постоянного напряжения.
Амплитудная передаточная характеристика и диаграммы напряжений на входе и выходе показаны на рис. 11.35, б—г, соответственно.
Из диаграмм напряжений для разных полярностей включения опорного напряжения видно, что при подключении отрицательного полюса напряжения Uq (на рис. 11.35, а, полярность Uq показана без скобок) к аноду диода ограничивается пропуск части отрицательного полупериода входного напряжения, амплитуда которого меньше амплитуды опорного напряжения (—«вх2 Uq). Положи -
тельный полупериод ограничивается полностью (на рис. 11.35, б, передаточная характеристика и на рис. 11.35, г, диаграмма выходного напряжения показаны сплошной линией).
При включении опорного напряжения плюсом к аноду диода (на рис. 11.35, й, полярность Uq показана в скобках) ограничитель ограничивает только верхнюю часть положительного полуперио- да, которая превышает по амплитуде опорное напряжение (+wBx] > > +Uq), а отрицательный полупериод пропускается полностью (на рис. 11.35, б, передаточная характеристика и на рис. 11.35, г, диаграмма выходного напряжения показаны штриховой линией).
На рис. 11.36, а, показана схема диодного ограничителя с ненулевым уровнем включения, в которой изменение выходного напря-
жения начинается от нулевого уровня, т.е. при ?/вых = 0, и источник опорного напряжения включен последовательно с нагрузкой и диодом. Для такого включения диода и источника опорного напряжения Uq амплитудная передаточная характеристика показана на рис. 11.36, б. Амплитудная передаточная характеристика 1 (рис. 11.36, б) показывает, что при ит > Uq выходное напряжение прямо пропорционально входному напряжению при полярности включения опорного напряжения, показанной на схеме (рис. 11.36, а) без скобок.
Работу схемы ограничителя (рис. 11.36, а) рассмотрим по диаграммам напряжений на входе и выходе схемы (рис. 11.36, в, г) при полярности опорного напряжения, показанной на схеме без скобок. При отсутствии входного напряжения (момент времени /0) на выходе схемы — нулевой потенциал, так как напряжение Uq на выход не передается (диод закрыт). В отрицательный полупериод
действия входного напряжения (/q—t2) диод находится под обратным смещением и на выходе схемы нулевой потенциал. В положительный полупериод действия входного напряжения в период времени t2— U0 в момент времени (/3—/4) диод под прямым смещением и на выход передается часть выходного напряжения, равное разности А и = ивх — Щ. В период времени f4—/5 диод закрыт и на выходе схемы напряжение равно нулю.
(рис. 11.37, б) и выходная характеристика (рис. 11.37, г), представленная сплошной линией, описывают работу схемы при полярности опорного напряжения, показанной на рис. 11.37, а, без скобок. Для полярности опорного напряжения, показанной в скобках, приведены амплитудная характеристика 2 и выходная характеристика, представленная штриховой линией.
Резисторы в схеме ограничителя с ненулевым уровнем включения исключают короткое замыкание источника сигнала через источник опорного напряжения.
Рассмотрим схему параллельного ограничителя с ненулевым уровнем включения (рис. 11.38, а) и параллельным включением источника опорного напряжения с нагрузкой, в которой напряжение изменяется не от нуля. Амплитудная передаточная характеристика для этой схемы показана на рис. 11.38, б. Из передаточной харак-
теристики / видно, что ограничитель пропускает полностью входной сигнал отрицательного полупериода и сигнал положительного полупериода только до амплитуды, равной +?/0.
В параллельных ограничителях с ненулевым уровнем включения, в которых изменение выходного напряжения начинается от нулевого значения мвх = 0, источник опорного напряжения включения последовательно соединен с нагрузкой.
Работа ограничителя (рис. 11.40, а) описывается амплитудными передаточными характеристиками, приведенными на рис. 11.40, б. Резистор в схеме ограничителя с ненулевым уровнем включения исключает короткое замыкание источника сигнала через источник опорного напряжения включения и диод при прямом смещении.
Если изменить направление включения диода и полярность опорного напряжения, то получится схема (рис. 11.41, а) ограничителя
Анализируя схемы последовательных и параллельных ограничителей с ненулевым уровнем включения, можно сделать вывод, что амплитуда ограниченного напряжения зависит от полярности включения источника опорного напряжения и направления включения
диода. Если источник опорного напряжения включения ограничителя создает обратное смешение диода, то ограничивается большая часть входного напряжения, и наоборот, если источник опорного напряжения создает прямое смешение диода, то ограничивается меньшая часть входного сигнала.
Двусторонние ограничители являются каскадным соединением двух односторонних ограничителей (последовательных или параллельных).
Рис. 11.42. Принципиальная схема (а), амплитудная характеристика (б), диаграммы входного (в) и выходного (г) напряжений параллельного диодного ключа как ограничителя с ненулевым уровнем включения и двусторонним ограничением
Рис. 11.43. Принципиальная схема последовательного диодного ключа как ограничителя с ненулевым уровнем включения и двусторонним ограничением мы входного и выходного напряжений аналогичны характеристике и диаграммам, представленным на рис. 11.42, б— г.
Таким образом, двусторонние ограничители, как диодные ключи, рассмотренные на рис. 11.42 и 11.43, передают входной сигнал на выход, если входное напряжение находится в пределах границ, определяемых уровнями включения t/Bxl первого и UBx2 второго ключей.
Исследуя схемы односторонних и двусторонних ограничителей (последовательных и параллельных), можно сделать следующие выводы:
- — в последовательных ограничителях передача сигнала на вход осуществляется при открытых диодах, а ограничение сигнала — при закрытых диодах, поэтому последовательный диодный ограничитель имеет низкое выходное сопротивление в режиме передачи сигнала и высокое выходное сопротивление в режиме ограничения;
- — в параллельных ограничителях передача сигнала на выход осуществляется при закрытых диодах, а ограничение — при открытых диодах, поэтому параллельный диодный ограничитель имеет высокое выходное сопротивление в режиме передачи сигнала и низкое выходное сопротивление в режиме ограничения.
сопротивлением VD2 и источника U02, а при отрицательном по- лупериоде — низким сопротивлением R1 и источника напряжения Uq |.
Двусторонние ограничители широко применяются для получения из сигналов синусоидального напряжения импульсов с формой, близкой к прямоугольной.
На основе анализа принципов конструирования и результатов исследования экспериментальных образцов мощных кремниевых ограничителей напряжения в статье показана возможность разработки и производства полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН) с рассеиваемой импульсной мощностью (tф/tи = 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.
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 Uпроб 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].
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 (tи + -типа. Ограничение по нижнему пределу Uпроб 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 Uпроб 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.
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.
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 Uпроб.
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 Uпроб 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.
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
Вячеслав. А вы когда нибудь пилили(вручную) электросварку ? Неблагодарное занятие - полотно как по стеклу скользит. Да и площадь наружной пластины занизиться - как это скажется "на общем благополучии трансформатора" ?
Можно просто посмотреть на выходной мощный диод. У вас по фото - он 5 А. Значит ток на выходе 1,5 - 2А. Напряжение можно прибором измерить.
Ага, понятно, только теперь уже требует другой файл? А потом потребует ещё какой - нибудь. У вас полного пакета программ нету что ли? Его надо весь скачать и оттуда запускать нужную вам программу. А FlybackLite выложен отдельно, потому что его версия поновей, чем была в пакете. И чтобы те, кому он нужен, могли его заменить, не перекачивая весь пакет заново.
Странно, но высокоскоростные драйверы ADSL, работающие на сложно-импедансную нагрузку, все как один с ТОС
Час назад купил светодиодные лампочки, на каждой стороне коробки написано 220 V, только на одной уточнение 220 (+-20)В (да и вперемежку В и V). Грамотеи и не вкурсе они.
нормальный сердечник . просто удлиненный, это не нарушает законов физики? вторичная обмотка мне и не нужна. это будет автотрансформатор. только первичка с отводом.
Читайте также: