Введение к работе
іКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В связи с неуклонным ростом энерговоору-їєнности всех отраслей народного хозяйства потребность преобразования электрической энергии сильно возрастает. Преобразование зачастую заключается не просто в изменении напряжения переменного тока, а в преобразовании переменного тока в постоянный и постоянного в переменный, в изменении частоты переменного тока, плавном регулировании отдаваемой потребителю мощности и т.п.
Большие и все возрастающие масштабы преобразования электроэнергии требуют создания эффективных ус'ройсто с высоким КПД, надежных, долговечных, простых в эксплуатации и, н некоторых областях применения - легких и малогабаритных.
Отрасль промышленпости, занимающаяся создание»? таких устройств на основе силових полупроводниковых приборов, является одной из самых быстро развивающихся отраслей гряктически во всех промышленно развитых странах.
Эффективность преобразователей существенно повышается при переходе на новую элементную базу - силовые транзисторы.
Эффективность применения транзисторов определяется презк-іе всего возможностью получения высоких пинашческих показателей преобразователей за счет применения полностью управляемых іриборов и отказа от узлов принудительной коммутации, а при наличии высоковольтных приборов - и от силовых трансформаторов. 1ри этом обеспечивается гначительное снижение расходов меди и электротехнической стали. При переходе от тиристорних преобразователей к транзисторным становится возможным уменьшение вес* преобразователя в 2-3 раза, что дает наибольший э|4>ект в случае использования агрегатов в мобильных установках и бортовой аппаратуре, В случае применения транзисторных преобразователей в приводе станков возможность достижения предельного быстродействия позволяет повысить точность и чистоту обработки деталей и способствует росту производительности станков.
для повышения экономичности преобразовательной техники важное значение имеет совершенствование конструкции и технологии изготовления силовых транзисторов.
Долгое время разработка и производство силоЕЫХ-'транзис-торов, рассчитанных на большие токи и напряжения, не находили должного развития в связи с невысоким уровнем технологии изготовления^ также в силу недостаточно глубокого изучения взаимосвязи между электрофизическими и электрическими характеристиками транзисторной структуры. Наименее исследованы физические процессы в транзисторных структурах больших размеров, в которых благодаря поперечному растеканию тока важное значение приобретают неодномерные процессы.
В связи с этим, постановка комплекса инженерно-физических исследований,на основе которых можно было бы осуществить целенаправленное проектирование и разработку кон'струкции и технологии силовых транзисторных ключевых элементов, является актуальной как в,научном плане, так и в плане решения важной практической, задачи - создания на их основе эффективной преобразовательной техники ноеого поколения.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является решение важной проблемы, имеющей существенное народнохозяйственное значение - разработка основ проектирования и технологии серийного производства разновидностей силовых транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового' поколения и организации на их базе выпуска в Республике Армения современных высокоэффективных устройств и изделий, таких как станочный электропривод, стабилизаторы частоты и напряжения, индукционные нагревательные приборы, агрегаты бесперебойного питания, бытовые инверторы, высокочастотные сварочные аппараты, электронные пускорегули-рующие устройства для зажигания люминесцентных ламп и т.п.
ШЛОЖЕНИЯ, ЬШиСИшЫЕ НА ЗАЩТУ
I. Разработанные методы оптимального проектирования и технологии позволяют создать широкую гамму транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового поколения.
- ь -
2. Закономерности спада статического коээфкциентя г/силе-
иия силового транзистора при умеренных и высоких уровчях
инжекции определяются эффектами оттеснения эмиттерного тока
и расширения квазинейтральной базы.
3. Распределение линейной плотности тока эмиттера по
длине полоски имеет седлообразную форму, а его минимум пере
мещается по длине полоски в зависимости о* режима раооїн
силового транзистора.
4.. Сопротивление насыщения транзистора в открытом состоянии определяется эффектами оттеснения эмиттерного тока, поперечного разветвления линий тока в высокоомном коллекторе и расширением кЕаэинейтральной базы в область коллектора.
5. Динамический процесс форсированного выключения силового транзистора в схеме с индуктивной нагрузкой в общем случае имеет неошомерный характер в связи с тангенциальным механизмом вывода избыточного заряда из коллектора обратным базовым током.
б.'При форсированном выключении силового транзистора скорость сжатия токопровопящего канала к центру вмиттерной полоски и возникновения условий лазинной инжекции и вторичного пробоя зависят от коэффициента запирания транзистора, ширины полоски -.: электрофизических параметров активной базы и коллектора.
7. Принципы оптимального конструирования дискретных сило-
ьых транзисторен паянной и прижимной конструкций, предназна
ченных для работьт в различных преобразовательных устройствах,
в бортовой радиоэлектронной аппаратуре, агрегатах бесперебойного питания, электроприводе стрнков с ЧПУ и промышленных роботов, инпукционной технике и т.д.
-
Принципы оптимального конструирования гибридных много-кристальных транзисторных модулей с изолированным корпусом,
-
Технология изготовления модификаций современных транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового поколения.
10. Пакет рекомендаций по применения транзисторных ключей
в различных схемах преобразовательных устройств и изделиях.
( '
- б -
І. Разработаны принципы оптимального проектирования и основы промышленной технологии изготовления транзисторных ключевых элементов широкой номенклатуры для преобразовательной техники нового поколения.
\ 2. Впервые разработана и'исследована нелинейная двухмерная модель токовой зависимости статического коэффициента усиления силового транзистора с учетом эффекта оттеснения эыит-терного тока и расширения квазинейтральной базы при высоких уровнях инжекции.
-
аредложена физическая модель, адекватно отражающая характер распределения линейной плотности тока по длине эмит-терных полосок при статическом и динамическом режимах работы транзистора.
-
Построена физическая модель и проанализированы нелинейные механизмы и изменения сопротивления насыщения силового транзистора в открытом состоянии.
-
Впервые построена двухмерная модель для определения области безопасной работы при форсированном выключении силового транзистора обратным базовым током в схеме с индуктивной нагрузкой.
-
Разработана методика расчета и проектирования топологии силовых транзисторов и силовых гибридно-интегральных ключевых элементов.
-
Разработаны новые технологические способы получения транзисторных ключевых элементов с высокими показателями по совокупности параметров.
3, Разработан комплекс контрольно-измерительного и испытательного оборудования для производства силовых полупроводниковых приборов.
9.Разработана и внедрене в производство на базе транзисторных ключевых элементов серия преобразовательных устройств и высокоэффективных электробытовых изделий.
. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ I.Разработаны, исследованы и внедрены в серийное производство разновидности силовых транзисторных ключевых элементов нового поколения широкой номенклатуры,которые служат основи
элементной базой для современной преобразовательной техники.
2. Разработана технология серийного производства силовых транзисторных ключевых элементов, на основе которой проектирована и создается крупнейшая технологическая база для массового выпуска силовых транзисторов в Армении в г.Аштараке..
'J. Создан ряд новых силовых транзисторов на токи ЮтЮОА, наряжением ICO-rlLiOO Ь, в т.ч. высоковольтные транзисторы марлингтсна. Разработаны одно- и двухключевые транзисторные ...о аул и' с изолированным корпусом на токи 0+Ь0 А, напряжением uUOtIOOU b, а также защитные быстровосстанавливавщиеся диоды серии ДЧ на те же токи и напряжения.
4. На базе созданных транзисторных ключевых элементов разработаны и внедрены на ряде предприятий РА агрегаты бесперебойного электропитания, стабилизаторы частоты и напряжения, индукционные электроплиты и т.д.
основные результаты работы используются в НПЦ "Транзистор" при разработке силовых транзисторов, транзисторных модулей и других элементов для преобразовательной техники. Разработанные методы оптимального проектирования транзисторных ключевых элементов используются также з учебном процессе в Государственном инженерном Университете Армении.
Па основе разработанных транзисторных ключевых элементов, гибридных схем и диодов созданы и в настоящее время произвоаятся в їіїйі "Транзистор" и на других предприятиях РА различные преобразовательные'устройства и изделия, в том числе:
стабилизатор напряжения и частоты исщостью до о кВт;
бытовые инверторы токи мощностью С,4-І кВт;'
агрегаты бесперебойного питания мощностью і киї;
индукционная плита "превнк";
переносной самозарядный осветительный прибор;
серия цуско-регулирующих устройств для зажигания люминесцентных ламі.
АііРСБАціІЇІ РАБОТЫ. Основные положения и результаты исследований и разработок докладывались на Всесоюзных и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах:"Применение новых технологических методов и оборудования в производстве СШ1"(Ереван-ІУбОг.), "Применение эпитаксиальной технологии в производстве
СІШ" {Сан-Гасте, Эстония, 1982г.), Технология и конструирование быстродействующих. СШ" (Аюллемяэ, Эстония, 1983г.), "Основные направления в области развития технологии, конструирования и исследования СІШ" (Молодечно, Белоруссия, 1984г.), "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Черноголовка, 1990г.), на научных семинарах ВЭИ (Москва) и СКТБ ПТ (Ереван).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 32 печатные работы,Б ТОМ ЧйСЛб ОДНа монографий й G авторских Свидетельств. Материалы диссертации использованы в II ответах о НИР.
