ТИРИСТОР
THYRISTOR

Предлагаемое изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, в частности к таблеточным тиристорам с прижимным узлом управления.
Существует большое разнообразие вариантов конструкций внутренних узлов тиристоров для создания прижимных контактов между управляющим выводом и центральным управляющим электродом выпрямительного элемента тиристора.
Основным упругим элементом создания постоянного давления между управляющим выводом и центральным управляющим электродом является пружина. В конструкциях тиристоров с прижимным управляющим выводом применяются различные виды пружин: пружины изгиба из проволоки круглого сечения, пружины сжатия винтовые цилиндрические из проволоки круглого сечения, пружины сжатия тарельчатые и другие.
Пружины сжатия тарельчатые, пружины Бельвиля, используются, прежде всего, для больших рабочих нагрузок, когда требуется создать надежный физический контакт между поверхностями большой площади. В приложении к полупроводниковой технике такие пружины наиболее эффективны в запираемых тиристорах с большими импульсными токами управления, по порядку величины сравнимыми с выключаемыми токами. Для мощных запираемых тиристоров импульсные запирающие токи управления составляют сотни и тысячи ампер.
Для большинства других типов тиристоров характерны относительно малые импульсные токи управления порядка (5÷10) А. В таких приборах для создания прижимных контактов между управляющим выводом и центральным управляющим электродом используются внутренние узлы на базе пружин сжатия первых двух видов. Это дает более простые технические решения конструкций узлов с меньшим количеством деталей и более простых в изготовлении.
Известна конструкция таблеточного тиристора (Патент GB 1379017 А, МПК: H01L 21/52; H01L 21/60; H01L 23/04; H01L 23/05; H01L 23/16; H01L 23/488, опубликован 02.01.1975) [1], содержащего выпрямительный элемент с центральным управляющим электродом, помещенный в герметичный корпус, состоящий из первого основания, служащего анодом, второго основания, служащего катодом, кольцеобразного изолятора, соединенного с первым и вторым основаниями кольцеобразными манжетами, металлический диск с углублением в центре и радиальной проточкой, расположенный между выпрямительным элементом и вторым основанием, управляющий вывод, изготовленный из фосфористой бронзы, который с одной стороны закреплен в металлической трубке в стенке кольцеобразного изолятора, в средней части помещен в изолирующую трубку и проложен в радиальной проточке в металлическом диске, с другой стороны изогнут в виде винтовой пружины сжатия, помещен в углублении металлического диска с использованием изолирующих втулки и подпятника и приведен в контакт с центральным управляющим электродом выпрямительного элемента.
Недостатком конструкции является то, что пружина сжатия создает с поверхностью центрального управляющего электрода точечный прижимной контакт малой площади.
Следствием этого является:
- повышенная плотность тока в области прижимного контакта;
- повышенный разогрев области прижимного контакта при протекании тока управления и выделении вследствие этого джоулева тепла;
- риск выгорания тонкого, несколько микрометров, металлического слоя центрального управляющего электрода и полупроводниковой р-n-р-n-структуры выпрямительного элемента под ним в области прижимного контакта, увеличение омического сопротивления контакта, потеря управляемости тиристора;
- повышенное удельное давление в области прижимного контакта;
- риск истирания тонкого металлического слоя центрального управляющего электрода при вибрациях и ударах;
- риск механического разрушения тонкого металлического слоя центрального управляющего электрода и полупроводниковой р-n-р-n-структуры выпрямительного элемента под ним, потеря управляемости и блокирующей способности тиристора.
Все это отрицательно сказывается на стабильности параметров и характеристик, функционировании и надежности тиристора.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тиристор (Патент US 5436472 А, МПК: H01L 23/051; H01L 23/48; H01L 29/74, опубликован 25.07.1995.) [2], содержащий выпрямительный элемент с центральным управляющим электродом, помещенный в герметичный корпус, имеющий первое основание в качестве анода, второе основание в качестве катода, кольцеобразный изолятор, металлический диск с центральным сквозным отверстием, втулку, подвижный плунжер из изоляционного материала, пружину сжатия и управляющий вывод из гибкого провода с контактным элементом на одном конце. Металлический диск размещен между вторым основанием и выпрямительным элементом, втулка вставлена в центральное отверстие металлического диска, подвижный плунжер размещен внутри втулки. Один конец управляющего вывода размещен в центральном отверстии подвижного плунжера и зафиксирован контактным элементом в нижнем торце плунжера, средняя часть управляющего вывода электрически изолирована и размещена в радиальной проточке в верхней части металлического диска, другой конец управляющего вывода размещен в стенке кольцеобразного изолятора и выведен наружу.
Недостатком данной конструкции тиристора с прижимным управляющим выводом является то, что из-за геометрических ограничений на корпусные элементы таблеточных приборов используемые в них подвижные плунжеры не удовлетворяют одному важнейшему требованию: длина подвижного плунжера должна значительно превышать диаметр. В реальных приборах эти параметры практически совпадают.
Следствием этого является:
- перекос подвижного плунжера во втулке, перекос контактного диска управляющего вывода относительно плоскости центрального управляющего электрода;
- уменьшение площади физического контакта управляющего вывода к центральному управляющему электроду;
- увеличение удельного давления и плотности тока управления в области прижимного контакта при значительном увеличении перекоса контактного диска и уменьшении площади физического контакта;
- нестабильность параметров цепи управления: рост напряжения управления и мощности сигнала управления, необходимых для включения тиристора;
- риск механического разрушения тонкого металлического слоя центрального управляющего электрода и полупроводниковой p-n-p-n-структуры выпрямительного элемента под ним, потеря управляемости и блокирующей способности тиристора.
Кроме того, как показывает анализ, даже при отсутствии перекоса подвижного плунжера площадь физического контакта в системе «контактный диск - центральный управляющий электрод» составляет (60÷80)% от проектной. Этот эффект обусловлен двумя факторами: перекосом контактного диска относительно подвижного плунжера, неплоскостностью рабочей поверхности контактного диска.
Указанные недостатки отрицательно сказываются на качестве и надежности тиристоров.
Меры по ужесточению требований к элементам конструкции внутреннего прижимного узла управления дают только частичное решение вопроса и приводят к увеличению стоимости приборов, но не снимают большинства проблем, рассмотренных выше.
Технической задачей предложенного решения является создание конструкции тиристора с прижимным управляющим выводом, обеспечивающей выравнивание прижимного усилия между контактным элементом управляющего вывода и центральным управляющим электродом.
Техническим эффектом предложенного технического решения является стабильность параметров и характеристик, устойчивое функционирование, повышение надежности работы тиристора.
Техническим результатом предложенного решения является конструкция тиристора с прижимным управляющим выводом, рабочая поверхность контактного элемента которого в процессе сборки прибора автоматически устанавливается в плоскости центрального управляющего электрода при различных неблагоприятных условиях, таких как перекос подвижного плунжера и др.
Поставленная задача решается благодаря тому, что:
1. Тиристор, содержащий выпрямительный элемент с центральным управляющим электродом, помещенный в герметичный корпус, имеющий первое основание в качестве анода, второе основание в качестве катода, кольцеобразный изолятор, металлический диск с центральным сквозным отверстием, втулку, подвижный плунжер из изоляционного материала, пружину сжатия и управляющий вывод из гибкого провода с контактным элементом на одном конце, при этом металлический диск расположен между вторым основанием и выпрямительным элементом, втулка вставлена в центральное отверстие металлического диска, подвижный плунжер размещен внутри втулки, кроме того, один конец управляющего вывода расположен в центральном отверстии подвижного плунжера и зафиксирован контактным элементом в нижнем торце плунжера, при этом средняя часть управляющего вывода электрически изолирована и размещена в радиальной проточке в верхней части металлического диска, а другой конец управляющего вывода размещен в стенке кольцеобразного изолятора и выведен наружу, отличается тем, что контактный элемент управляющего вывода выполнен в виде двух соосных частей, верхняя из которых закреплена на конце управляющего вывода, а нижняя часть контактного элемента выполнена в виде чашки, диаметр которой больше ее высоты и равен внутреннему диаметру втулки, при этом чашка размещена на центральном управляющем электроде выпрямительного элемента и обращена к нему тонким кольцеобразным бортиком, а тыльной стороной обращена к верхней части контактного элемента, причем второе основание в нижней части выполнено с центральным углублением, в котором размещены часть втулки, выступающей над металлическим диском, и часть подвижного плунжера, выступающего над втулкой, а в углублении верхней центральной части подвижного плунжера размещена пружина сжатия.
2. Верхняя часть контактного элемента выполнена в виде полушара, сферической поверхностью обращенного к нижней части контактного элемента, выполненной в виде чашки.
В прижимной узел управления входят: втулка, подвижный плунжер, контактный элемент и пружина сжатия.
К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:
- выполнение контактного элемента в виде двух соосных частей: верхней части в виде полушара, нижней части в виде чашки;
- согласование диаметра чашки с внутренним диаметром втулки;
- размещение втулки прижимного узла управления одновременно в двух элементах конструкции тиристора: в отверстии металлического диска и частично в углублении второго основания, диаметры которых равны внешнему диаметру втулки;
- выполнение подвижного плунжера в виде двух ступеней с различными диаметрами ступеней, диаметр верхней ступени которого равен диаметру центрального углубления в нижней части второго основания, а диаметр нижней ступени равен внутреннему диаметру втулки;
- размещение пружины сжатия в центральном углублении в верхней части подвижного плунжера с увеличенным диаметром.
Положительный эффект достигается за счет:
- исключения перекоса нижней части контактного элемента управляющего вывода, чашки, относительно плоскости центрального управляющего электрода выпрямительного элемента;
- выравнивания прижимного усилия и, как следствие, плотности тока управления между управляющим выводом и центральным управляющим электродом в области кольцеобразной поверхности нижней части контактного элемента, чашки;
- дополнительной функции втулки прижимного узла управления как элемента совмещения металлического диска со вторым основанием и металлической чашки с центральным управляющим электродом;
- снижения риска перекоса и застревания подвижного плунжера во втулке за счет увеличения «эффективной» длины подвижного плунжера при сохранении габаритов прижимного узла управления;
- улучшения условий проведения технологической операции сборки тиристора за счет расположения пружины сжатия в верхней центральной части подвижного плунжера прижимного узла управления и устранения вследствие этого вытеснения подвижного плунжера из втулки и его заклинивания;
- расширения областей использования предлагаемой конструкции прижимного узла управления, например, для запираемых тиристоров со средними токами управления и для нового класса «интеллектуальных» приборов с интегрированными элементами самозащиты от пробоя в полупроводниковую p-n-p-n-структуру выпрямительного элемента.
Известных технических решений с такой совокупностью признаков в патентной и научно-технической литературе не обнаружено, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию «новизна».
Заявленное техническое решение характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества: исключение перекоса рабочей поверхности контактного элемента управляющего вывода относительно плоскости центрального управляющего электрода и совмещение основных и дополнительных функций элементов конструкции тиристора, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Заявленное техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан основной вид тиристора в разрезе.
На фиг. 2 представлен прижимной узел управления, фрагмент фиг. 1.
На фиг. 3 показан контактный элемент управляющего вывода, состоящий из двух частей: верхней части - полушара и нижней части - чашки, обращенной к центральному управляющему электроду тонким кольцеобразным бортиком. Частично показана полупроводниковая р-n-p-n-структура выпрямительного элемента.
На фиг. 4 проиллюстрирована возможность использования предлагаемого технического решения для варианта конструкции тиристора, оснащенного интегрированными элементами самозащиты от пробоя в полупроводниковую р-n-р-n-структуру выпрямительного элемента в несанкционированных режимах эксплуатации, в частности при переключении по аноду вследствие перенапряжения.
+
GT
на фиг. 5 приведена прямая ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) цепи управления тиристора на разных стадиях деградации прижимного контакта между управляющим выводом и центральным управляющим электродом в процессе эксплуатации прибора, где ВАХ 1 - исходная ВАХ цепи управления; ВАХ 2 - ВАХ после снятия металлического покрытия центрального управляющего электрода; ВАХ 3 - ВАХ после снятия части легированного р-слоя управляющей р-базовой области полупроводниковой p-n-p-n-структуры выпрямительного элемента; А, В, С - точки на ВАХ 1, ВАХ 2 и ВАХ 3 - соответствующие переходу тиристора в открытое состояние при отпирающем постоянном токе управления I, равном 0,25 А.
В состав тиристора входят:
1 - выпрямительный элемент;
2 - центральный управляющий электрод;
3 - первое основание;
4 - второе основание;
5 - кольцеобразный изолятор;
6 - первая манжета;
7 - вторая манжета;
8 - третья манжета;
9 - металлический диск;
10 - втулка;
11 - подвижный плунжер;
12 - пружина сжатия;
13 - управляющий вывод;
14 - внешняя часть управляющего вывода;
15 - полушар;
16 - чашка;
17 - компаунд для защиты области выхода р-n-переходов выпрямительного элемента на поверхность;
18 - кольцо из изоляционного материала для фиксации выпрямительного элемента;
19 - катодная металлизация n - эмиттера полупроводниковой р-n-р-n-структуры выпрямительного элемента;
20 - интегрированные элементы самозащиты от пробоя в полупроводниковую р-n-p-n-структуру выпрямительного элемента.
В предложенном тиристоре второе основание 4 в качестве катода нижней плоскостью контактирует с верхней плоскостью металлического диска 9, в радиальной проточке которого размещена средняя часть электрически изолированного управляющего вывода 13 из гибкого провода. Один конец управляющего вывода 13 размещен в стенке кольцеобразного изолятора 5, соединенного с первым основанием 3 кольцеобразной первой манжетой 6 и со вторым основанием 4 кольцеобразными манжетами, второй манжетой 7 и третьей манжетой 8, и выведен наружу внешней частью управляющего вывода 14. Другой конец управляющего вывода 13 размещен в центральном отверстии подвижного плунжера 11 и закреплен верхней частью контактного элемента, полушаром 15, в торце подвижного плунжера 11, установленного во втулке 10. Контактный элемент выполнен из металла в виде двух соосных частей: верхней части в виде полушара 15 и нижней части в виде чашки 16, размещенной на центральном управляющем электроде 2 выпрямительного элемента 1. В углублении верхней центральной части подвижного плунжера 11 установлена пружина сжатия 12. Выпрямительный элемент 1 с центральным управляющим электродом 2 расположен между металлическим диском 9 и первым основанием 3.
В предложенной конструкции тиристора (фиг. 1) выравнивание прижимного усилия между управляющим выводом 13 и центральным управляющим электродом 2 в области кольцеобразного контакта происходит автоматически за счет осевого прижима с участием контактного элемента, состоящего их двух деталей - полушара 15 и чашки 16. При этом, исходя из сформулированного требования автоматического выравнивания прижимного усилия в области прижимного контакта, высота чашки должна быть меньше ее диаметра. С точки зрения надежности омического контакта между полушаром 15 и чашкой 16 его площадь не является критичной, поскольку в данном случае ток управления протекает через контакт к монолитной массивной чашке 16, а не к тонкому металлическому покрытию центрального управляющего электрода 2 и полупроводниковой р-n-p-n-структуры выпрямительного элемента под ним.
В рассмотренной конструкции в качестве верхней части контактного элемента может использоваться диск. По тому же требованию выравнивания прижимного усилия, диаметр чашки должен в 4 раза и более превышать диаметр диска. В данном случае соотношение диаметров 4 к 1 выбрано условно как предельно допустимое. Это означает, что при максимальном перекосе диска, когда прижимное усилие локализуется в точке, смещенной от центра чашки на один радиус диска, разброс усилия прижима по периметру кольцевого контакта составляет плюс-минус 25% от среднего значения. Задаваясь диапазоном слабой зависимости омического сопротивления контакта от усилия прижима, можно получить приемлемую неоднородность распределения плотности тока управления по периметру кольцевого контакта. При соотношении диаметров чашки и диска 10 к 1 максимальный разброс усилия прижима не превысит плюс-минус 11%, что близко к идеальным условиям.
На фиг. 4 управляющий электрод 2 кольцеобразной формы находится вне области 20 с элементами самозащиты тиристора от пробоя. Конфигурация металлической чашки с полой внутренней частью обеспечивает электрическое управление тиристора, не нарушая функционирования интегрированной самозащиты.
GT
GT
GT
GT
GT
GT
FG
+
На фиг. 5 ВАХ 1, ВАХ 2 и ВАХ 3 цепи управления тиристора с прижимным точечным контактом центрального управляющего электрода были получены в экспериментах по моделированию процесса истирания металлического покрытия центрального управляющего электрода. ВАХ 1 измерена при исходном металлическом покрытии. Тиристор включался в открытое состояние при отпирающем постоянном токе управления I, равном 0,25 А, и отпирающем постоянном напряжении управления U, равном 1,25 В, как отмечено точкой А на ВАХ 1. ВАХ 2 измерена после механического удаления слоя металлизации центрального управляющего электрода. Включение тиристора происходило при том же I, однако U возросло до 5 В. Этому состоянию соответствует точка В на ВАХ 2. ВАХ 3 получена после удаления части легированного р-слоя управляющей р-базовой области полупроводниковой р-n-p-n-структуры выпрямительного элемента. Значение I сохранилось на прежнем уровне, что показано точкой С на ВАХ 3. U выросло до 10,5 В. При этом прямая рассеиваемая мощность управления тиристора P возросла в 8,4 раза по сравнению с аналогичным параметром в исходном состоянии металлического покрытия центрального управляющего электрода тиристора. Следовательно, нестабильность параметров цепи управления: рост напряжения управления и мощности сигнала управления, необходимых для включения тиристора, приводит к снижению надежности работы тиристора.
Подвижный плунжер является важнейшей деталью прижимного узла управления. Часть подвижного плунжера с большим диаметром направляется цилиндрической поверхностью углубления во втором основании, увеличивая «эффективную» длину подвижного плунжера и тем самым снижая риск его перекоса и застревания во втулке. Подвижный плунжер изготавливается из прочного недеформируемого изоляционного материала.
Втулка, выполняющая дополнительные центрирующие функции, также изготавливается из прочного недеформируемого изоляционного материала.
Предложенная конструкция тиристора была использована при разработке высоковольтного мощного тиристора с самозащитой от пробоя на кремнии диаметром 100 мм. Внешний диаметр чашки составлял 8 мм, высота равнялась 2,5 мм, толщина бортика была выбрана равной 0,5 мм.
Заявляемая конструкция тиристора может использоваться при проектировании и производстве мощных таблеточных тиристоров, симисторов, других приборов силовой электроники, предназначенных для применения в современных преобразовательных устройствах различного назначения.
Экспериментально было подтверждено, что в заявленном техническом решении:
1) Выполнение подвижного плунжера двухступенчатого вида с различными диаметрами ступеней, когда верхний диаметр подвижного плунжера равен диаметру углубления в нижней плоскости, а нижний диаметр подвижного плунжера равен внутреннему диаметру втулки, снижает риск перекоса и застревания подвижного плунжера во втулке;
2) Выполнение контактного элемента в виде двух металлических соосных частей, верхней части в виде полушара, а нижней части в виде чашки, диаметр которой больше ее высоты и равен диаметру втулки, приводит к устранению перекоса нижней части контактного элемента управляющего вывода, чашки, относительно верхней плоскости выпрямительного элемента;
3) Размещение пружины сжатия в углублении центральной верхней части подвижного плунжера с увеличенным диаметром приводит к устранению в процессе сборки тиристора эффекта вытеснения подвижного плунжера из втулки и его заклинивания. Результатом является стабильность параметров и характеристик прибора;
4) Размещение втулки одновременно в двух элементах конструкции тиристора: в отверстии металлического диска и частично в углублении второго основания приводит к устойчивому функционированию, повышению надежности работы тиристора.
Указанные технические результаты дают право сделать заключение, что предложенная конструкция тиристора с прижимным управляющим выводом обеспечивает надежный омический контакт между управляющим выводом и центральным управляющим электродом. Таким образом, поставленная задача решена.
Источники информации
[1]. (Патент GB 1379017 А, МПК: H01L 21/52: H01L 21/60; H01L 23/04; H01L 23/05; H01L 23/16; H01L 23/488, опубликован 02.01.1975);
[2]. Патент US 5436472 А МПК: H01L 23/051; H01L 23/48; H01L 29/74, опубликован 25.07.1995.