Электронные компоненты Крон-ЭК Электронные компоненты Крон-ЭК

Конструкция и способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов

           Конструкция силовых полупроводниковых приборов должна обеспечивать их высокую эксплуатационную надежность, необходимый срок службы, минимальную массу и габаритные размеры, простое и надежное соединение с охладителем, удобство группового соединения и пр.

           Основой конструкции силового полупроводникового прибора является выпрямительный элемент, качество которого определяет электрические параметры прибора. Выпрямительный элемент представляет собой конструкцию, в которой кремниевая пластина с образованным в ней сочетанием p-n переходов (структура) напаяна на термокомпенсатор (вольфрам, молибден) или сплавлена с ним. В таком виде выпрямительный элемент монтируется в корпус прибора с помощью пайки или прижима, а затем корпус прибора герметизируется с помощью сварки или завальцовки. Это обеспечивает механическую прочность структуры и защищает ее от влияния окружающей среды.

           Существуют несколько видов конструктивных исполнений силовых полупроводниковых приборов. Чаще всего встречающиеся - это штыревое, таблеточное и модульное исполнения.

 Штыревая конструкция. На рисунке в качестве примера изображен разрез арматуры штыревого тиристора прижимной конструкции:
 

          На медном основании 1 располагается выпрямительный элемент 2 с центральным управляющим электродом. Для улучшения электрического контакта со стороны основания выпрямительного элемента помещаются серебряные прокладки 3. По оси катодного вывода 4 высверлено отверстие для вывода управляющего электрода 5, который прижимается к центральному управляющему электроду выпрямительного элемента с помощью пружины 6. Управляющий вывод через радиальное отверстие выводится во внешнюю среду с помощью изолированного проводника 7. Управляющий электрод изолирован от катодного вывода с помощью изолятора 8. Катодный вывод по высоте прибора изолирован от других элементов с помощью изолирующей трубки 9. Для создания необходимого усилия прижима служат тарельчатые пружины 10. При сборке прибора давление от пресса при помощи держателя 11 передается на конструкцию через опорную шайбу 12 и опорный изолятор 13. Держатель под действием давления входит во фланец 14, после чего производится завальцовка по фланцу.

           Конструкция тиристора в собранном виде показана на рисунке:
 


 

          На арматуру надевается металлокерамический корпус, нижнее основание которого приваривается к буртику фланца. Во втулку корпуса вставляется гибкий силовой вывод и производится обжим.

           Наряду со штыревыми силовыми приборами прижимной конструкции существуют так называемые паяные силовые приборы. На рисунке показана конструкция такого прибора:

          Выпрямительный элемент вначале напаивается на медное основание 1, служащее анодом тиристора. К верхнему термокомпенсатору выпрямительного элемента припаивается чашечка 2, в которую впаивается внутренний гибкий вывод 3, соединенный внутри стальной втулки с внешним гибким силовым выводом 4. К управляющему p-n переходу выпрямительного элемента припаивается внутренний управляющий электрод 5, соединенный через изолированную стальную втулку 6 с наконечником управляющего электрода 7. В медном основании имеется кольцевая выточка, в которую перед установкой корпуса 8 помещается фторопластовая прокладка 9, усиливающая после завальцовки стыков крышки и основания степень герметизации прибора. Выводы силового катодного и управляющего электродов осуществляются через металлостеклянную крышку. Основание корпуса изготавливается совместно с нарезным болтом 10, служащим для соединения прибора с охлаждающим устройством.

 Таблеточная конструкция.
 В отличие от штыревого прибора в этой конструкции необходимое усилие сжатия создается извне либо с помощью соответствующей конструкцией охладителя, либо путем применения других специальных зажимных устройств, обеспечивающих регламентируемое усилие сжатия при электрических нагрузках.

          Выпрямительный элемент 1 с центральным управляющим электродом помещен между основаниями металлокерамического корпуса, состоящего из собственно корпуса 2 и крышки 3. Между основаниями корпуса и выпрямительного элемента расположены серебряные прокладки 4, причем в центре верхней прокладки имеется отверстие для управляющего электрода. В крышке корпуса 3 имеется осевое углубление для управляющего электрода 5 и радиальное отверстие для управляющего вывода. Управляющий электрод центрируется с помощью керамической втулки 6 и поджимается пружиной 7. Фторопластовое кольцо 8 служит для исключения смещения выпрямительного элемента относительно оснований корпуса. В основаниях имеются углубления 9 под штифты, фиксирующие положение таблетки относительно поверхностей охлаждающих устройств, на которые монтируется силовой прибор.

Охлаждение силовых приборов. Электрические потери, обусловленные прохождением тока через силовой полупроводниковый прибор, вызывают выделение теплоты, которая отводится с помощью систем охлаждения. Основные требования, предъявляемые к системам охлаждения следующие:
- минимальное тепловое сопротивление при минимальном расходе охлаждающего агента;
- обеспечение необходимого усилия сжатия для систем охлаждения приборов таблеточной конструкции;
- высокое качество поверхностей, контактирующих с прибором, в части шероховатости и неплоскостности;
- удобство монтажа прибора в сборе с охладителем;
- минимальный перепад давления при принудительном охлаждении;
- минимальные габариты и масса.

          Охлаждение силовых полупроводниковых приборов осуществляется, как правило, при помощи стандартных охладителей воздушной или водяной систем охлаждения. В соответствии с этим силовой прибор с охладителем собирается в единую конструкцию. 

           При монтаже силовых приборов штыревого типа на охладители должен обеспечиваться определенный закручивающий момент, значение которого указывается в справочных данных на прибор и реализуется при помощи специальных динамометрических ключей.
Более сложным является монтаж силовых приборов таблеточного типа. Здесь необходимо, во-первых, обеспечить равномерность сжатия по всей поверхности, и, во-вторых, создать заданное усилие сжатия.

          На рисунке изображен силовой прибор в сборе со стандартным охладителем воздушной системы охлаждения.
 

           Силовой прибор 1 крепится между двумя охладителями 2 и 3 с помощью болтов 4 и 5. Болты изолированы от охладителя изолирующими втулками 6 и 7. Требуемое усилие сжатия обеспечивается траверсой 8 из закаленной стали. Для обеспечения равномерного давления на контактные поверхности силового прибора усилие сжатия от траверсы на охладитель передается через изолятор с полусферическим выступом, помещенный между траверсой и охладителем 2. Контроль усилия сжатия осуществляется по прогибу траверсы с помощью специальных индикаторов. (Более подробно об этом Вы можете прочитать здесь.)

           При использовании нестандартных охладителей надо иметь ввиду, что при сборке силовых приборов с охладителями большое значение имеет соблюдение их соосности, параллельности контактных поверхностей, их гладкости и равномерности распределения усилия сжатия. Также следует помнить, что не допускается применение в качестве охладителей и прокладок материалов, создающих с корпусом силового прибора биметаллические пары, что существенно ускоряет коррозию. Все это приводит к увеличению тепловых сопротивлений, что ухудшает нагрузочную способность силовых приборов и существенно сокращает срок их службы.

           И еще одно замечание. Для обеспечения эффективного принудительного охлаждения охладители систем воздушного охлаждения должны монтироваться таким образом, чтобы их ребра были параллельны направлению воздушного потока. При применении охладителей систем водяного охлаждения должны быть учтены требования к качеству воды (удельное электрическое сопротивление не должно влиять на перераспределение напряжения между участками электрических цепей).
 

 

© 2005-2016 Электронные компоненты Крон-ЭК