Испытания кремниевых диодов на перегрузочную способность

Г. С. Ханган

При создании высоковольтных выпрямителей средней мощности (до 200 кВ; 0,05... 0,5 А) для установок электронно-ионной технология, электрофизической и рентгеновской аппаратуры, испытательных установок в настоящее время предпочтение отдается кремниевым вентилям, как наиболее компактным, теплостойким и экономичным [1] Особенностью работы таких устройств являются частые разряды в их емкостно-омической нагрузке, приводящие к переходным процессам, опасным для вентилей. В некоторых установках, как, например, электрофильтрах газоочистки, разряды в нагрузке следуют регулярно 1 — 10 раз в минуту [2].
Эквивалентная схема высоковольтной установки при пробоях показана на рис. 1,а.

Рис. 1. Эквивалентная схема выпрямителя при разрядах в нагрузке (а) и диаграммы напряжений н токов (б, в, г)

Выпрямитель (с одним заземленным полюсом) представлен идеальным вентилем В. К вентилю подключен колебательный контур из емкости Ск, индуктивности цепи разряда LK и сопротивления потерь Rк. Питание схемы осуществляется от сети 50 Гц через повышающий трансформатор и регулятор, сопротивление которых обозначено zс. Для защиты вентилей на выходе выпрямителя включено сопротивление z3.
При каждом пробое (замыкании ключа К) в колебательном контуре Rк— Lк—Ск возникают затухающие колебания с частотой (50... 500) кГц, которые вызывают перегрузку вентилей импульсами тока и сопровождаются быстрым переключением на обратное напряжение (рис. 1,б, в, г). Амплитуда тока перегрузки достигает тысячи ампер и способна прожечь вентили [3]. Кроме того, после окончания импульса тока возникает режим быстрого переключения на обратное напряжение, что вызывает большие обратные токи, приводящие к пробою кремниевой структуры. Уровень допустимых перегрузок в таком режиме, необходимый для выбора защитного сопротивления r3, в технических условиях отсутствует.
Импульсная перегрузка каждый раз сопровождается перегрузкой вентилей током короткого замыкания промышленной частоты, допустимая величина которого по справочным данным также неизвестна.
В настоящей статье приводятся результаты экспериментального определения токов перегрузки в указанных режимах.
Импульсная токовая перегрузка с переключением на обратное напряжение получена в испытательной установке, содержащей колебательный контур C — L — T, в цепи которого включен испытуемый вентиль ИВ (рис. 2,а). Разряд в контуре начинается после включения ключа, выполненного на тиратроне Г, зашунтированном встречным вентилем ШВ. Для ограничения обратного напряжения на испытуемом вентиле до заданной величины параллельно к нему подключен через разделительный вентиль РВ стабилизированный источник регулируемого постоянного напряжения Ест.

Рис. 2. Упрощенная схема испытательной установки (а), форма тока перегрузки (б) и обратного напряжения (в) на испытуемом вентиле
Ток перегрузки через ИВ имеет длительность τ=π√LC и амплитуду Iт = U0√C/L. Подбором зарядного напряжения U0 и параметров контура С, L регулировались амплитуда и длительность импульса. В момент U (рис. 2,б, в) после перехода тока через ноль в цепи диода возникает обратный ток iоб за счет накопленного в базе вентиля заряда.

Рис. 3. Зависимости разрушающего Iр и допустимого Iдоп импульсов тока перегрузки вентилей от его длительности
При спаде обратного тока на индуктивности L появляется выброс напряжения, равный L(dicn/dt), который суммируется с напряжением на конденсаторе и повышает обратное напряжение иоб на испытуемом вентиле ИВ. Когда иоб становится равным напряжению стабилизированного источника, вентиль РВ открывается и дальнейший рост прекращается.
Испытанию в режиме импульсной перегрузки с переключением подвергались более 1000 выпрямительных диодов типа Д226Б и Д229Б, изготовленных по сплавной и лавинной технологии.
Эти диоды используются для комплектации блоков (столбов), из которых собираются высоковольтные вентили. Определялись разрушающие и длительно допустимые токи перегрузки при ограничении импульса обратного напряжения до номинального значения 400 В. Амплитуды импульсов тока, разрушающих вентили, в зависимости от их длительности приведены на рис. 3.
Наибольшая амплитуда разрушающего тока имеет место при длительности импульса τ= 30 мкс. Она равна 90 А для диодов Д226Б и 230 А для Д229Б. С уменьшением τ увеличивается накопленный в базе диодов заряд в момент переключения и уменьшается амплитуда разрушающего тока. При τ>30мкс уменьшение амплитуды разрушающего импульса тока происходит за счет кратковременного подъема температуры р — n-перехода в конце каждого импульса тока.
Допустимые перегрузки диодов определялись методом ступенчатого повышения амплитуды прямого тока.
Данные об отказах диодов приведены в таблице. Анализ табличных данных указывает на существование достаточно четкого предела их устойчивости к перегрузкам. Этот предел можно характеризовать током, при котором наступают 50% отказов. Для сплавных диодов такой ток практически равен разрушающему току при кратковременных испытаниях без ограничения обратного напряжения. При испытаниях температура кремниевой структуры повышалась до (50...80)°С.

В качестве допустимого тока перегрузки принят ток, меньший величины тока, при котором появляется первый отказ диодов. Он зависит от длительности импульса τ и при х— (10...70) мкс в условиях переключения на номинальное обратное напряжение для диодов типа Д226Б и Д229Б может быть определен по эмпирической формуле /доп = = (10 + т)/2, где т — длительность импульса, мкс. Так, например, при длительности импульса т = 20 мкс допустимая амплитуда тока перегрузки через вентили при переключении на номинальное обратное напряжение равна 15 А.
Следует отметить, что полученные данные справедливы при ограничении обратного напряжения до номинального значения. При отсутствии такого ограничения амплитуда разрушающего тока уменьшается в 3—4 раза.
Допустимый ток перегрузки промышленной частоты определялся на установке переменного тока 50 Гц. Через испытуемый вентиль пропускался номинальный прямой ток и прикладывалось номинальное обратное напряжение. Периодически, как это имеет место при коротких замыканиях в нагрузке, прямой ток увеличивался от номинального значения до тока перегрузки кратностью Кп в течение (0,04... 1) с. Нижний предел соответствует отключению короткого замыкания быстродействующим электронным регулятором напряжения, верхний — автоматом с термоэлементом или плавкими предохранителями.

В таком режиме было испытано более 200 диодов Д226Б и Д229Б. В результате обработки измерений получена допустимая перегрузка в течение 1 с прямым током промышленной частоты, равная /до(1 = 5 А.

Полученные результаты допустимых перегрузок сплавных и диффузионных диодов проверялись аналогичными испытаниями на выпрямительных блоках (столбах) Д1006, Д1008 и Д1006А, Д1008А, собранных из указанных диодов. Допустимые перегрузки оказались такими же, как и для диодов.

ВЫВОДЫ

1. При работе кремниевых вентилей в режиме перегрузки импульсами тока с приложением номинального обратного напряжения допустимая амплитуда тока перегрузки может быть найдена при известной длительности импульса τ (мкс) из выражения Iдоп = (10+τ)/2.
2. Вентили серий Д226, Д229, столбы на их основе и близкие им по параметрам другие кремниевые вентили допускают перегрузку током промышленной частоты в течение 1 с не более 5 А.