Ограничитель напряжения с увеличенной мощностью

Использование: в области полупроводниковых ограничителей напряжения, диодов Зеннера, высоковольтных выпрямительных столбов, составных варакторов и других полупроводниковых приборов. Техническим результатом изобретения является увеличение мощности и эксплуатационной надежности ограничителя напряжения. Сущность изобретения: ограничитель напряжения, содержащий размещенные в изолирующем корпусе с положительным и отрицательным выводами полупроводниковые кристаллы кремния с, по крайней мере, одним P-N-переходом, которые последовательно соединены друг с другом и с выводами через металлические прокладки, являющиеся тепловыми компенсаторами, кристаллы выполнены одинакового размера и имеют равные значения напряжения лавинного пробоя, при этом суммарная величина напряжения лавинного пробоя последовательно соединенных кристаллов равна величине напряжения лавинного пробоя ограничителя напряжения, теплоемкость и теплопроводность каждой металлической прокладки больше не менее чем в три раза соответственно теплоемкости и теплопроводности каждого кристалла, а количество кристаллов, обеспечивающих надежную работу ограничителя при максимально допустимой импульсной мощности, определено из заявленного соотношения. 5 ил.

 

Изобретение относится к области полупроводниковых ограничителей напряжения, диодов Зеннера, высоковольтных выпрямительных столбов, составных варакторов и других полупроводниковых приборов и может быть использовано при защите электронных устройств от перенапряжений, а также при конструировании и технологии создания названных приборов.

Известны кремниевые ограничители напряжения, у которых имеются кристалл (кристаллы) с P-N-переходом и контактами, оформленные в пластмассовый или иной корпус, поглощаемая мощность и напряжение пробоя которых определяются рабочей площадью кристаллов полупроводника и его удельного сопротивления, конструкцией кристаллов с диффузионными слоями и толщиной базовой области [1].

Недостатком этих ограничителей напряжения является то, что использование кремния с высоким удельным сопротивлением и увеличенной площадью кристалла с целью получить высоковольтный более мощный прибор, резко увеличивает вероятность его отказа ввиду того, что основной рабочей характеристикой ограничителя напряжения является многократное включение его в лавинный пробой (напряжение ограничения), который может локализоваться в отдельной части объема кристалла с P-N-переходом и перейти в плазменный пробой, который приводит к уменьшению порога ионизации, уменьшению величины лавинного пробоя и выходу прибора из строя. Причиной этого является изначальное наличие в объеме кристалла полупроводника различного рода неоднородностей распределения примесей, причем в более явном виде в высокоомном кремнии, локального скопления дефектов, напряженности в отдельных участках кристалла полупроводника и т.д.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является лавинно-пролетный диод фирмы Thomson-CSF [2], в котором, с целью увеличения мощности, отдельные приборы или кристаллы с P-N-переходами соединены последовательно, что позволяет перераспределить мощность между ними.

Однако при воздействии мощных импульсов на кристалл полупроводника выделяется большое количество тепла с резким увеличением температуры на P-N-переходе, что может привести к перегреву и выходу из строя как отдельного кристалла, так прибора в целом.

Технической задачей изобретения является увеличение мощности и эксплуатационной надежности ограничителя напряжения.

Поставленная задача решена тем, что в ограничителе напряжения, содержащем размещенные в изолирующем корпусе с положительным и отрицательным выводами полупроводниковые кристаллы кремния с, по крайней мере, одним P-N-переходом, кристаллы последовательно соединены друг с другом и с выводами через металлические прокладки, являющиеся тепловыми компенсаторами, кристаллы выполнены одинакового размера и имеют равные значения напряжения лавинного пробоя, при этом суммарная величина напряжения лавинного пробоя последовательно соединенных кристаллов равна величине напряжения лавинного пробоя ограничителя напряжения, теплоемкость и теплопроводность каждой металлической прокладки больше не менее чем в три раза соответственно теплоемкости и теплопроводности каждого кристалла, а количество кристаллов, обеспечивающих надежную работу ограничителя при максимально допустимой импульсной мощности, определено из соотношения:

n=0,48Q_выводtθ /Q_P-N,

Q_P-N=С_siG_si(T_P-N-T),

где n - максимальное допустимое число кристаллов с P-N-переходами в ограничителе напряжения,

Q_вывод - количество тепла, которое может быть передано выводом ограничителя к радиатору за tθ - время скважности, кал/сек,

Q_P-N - количество тепла, выделяемое на одном P-N-переходе при воздействии импульса максимальной мощности, кал.,

tθ - время выключенного состояния прибора - время скважности, сек.,

λ - коэффициент теплопроводности материала выводов, ккал/м· час· ° С,

Т - температура P-N-перехода после истечения времени выключенного состояния прибора, ° С,

T_P-N - максимальная температура P-N-перехода, ° С,

Т'₁ и Т'₂ - температура на одном и другом концах выводов, ° С,

S - площадь поперечного сечения выводов, м²,

δ - длина пути теплового потока - от крайнего компенсатора-прокладки до радиатора, м,

C_si - удельная теплоемкость кристалла кремния (0,19), кал/г· ° С,

G_si - масса кристалла кремния, г.

Технический результат, полученный при реализации данного изобретения, заключается в увеличении мощности прибора, соответствующей кратному числу вводимых кристаллов, соединенных последовательно, в едином корпусе. Например, в стандартном корпусе КД-7Ж, на импульсную мощность Р=5 кВт установлен один кристалл (t_и=1· 10^-3 сек, tθ =10 сек); в ограничителе напряжения Р=10 кВт установлены два кристалла; Р=15 кВт установлены три кристалла; Р=20 кВт установлены четыре кристалла (t_и=1· 10^-3 сек, tθ =10 сек) (см. фиг.1, 2, 3, 4, 5). Резко увеличена эксплуатационная надежность приборов вследствие практически мгновенной передачи тепла от избыточно разогретого, выше допустимой температуры P-N-перехода, при включении импульсной мощности, превышающей допустимое значение (возможно, случайного), на теплоемкую прокладку и далее на радиатор. Использование многокристальных ограничителей напряжения, соединенных последовательно через теплоемкие и высокотеплопроводящие прокладки, при увеличении допустимой мощности импульсов, также увеличивает эксплуатационную надежность, поскольку резко уменьшается вероятность многократного лавинного пробоя в локальном месте, переходящего в плазму и в дальнейшем к тепловому пробою, поскольку уменьшаются объем кристалла и площади P-N-переходов. Создан прибор с улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной надежностью действия.

Суть изобретения заключается в том, что мощный импульс воздействует на кристаллы в равной степени и одновременно, выделяясь на P-N-переходах в виде тепла, резко увеличивая температуру кристалла в области P-N-переходов. Время передачи тепла на прокладку от P-N-перехода значительно меньше времени нагрева толщи кристалла, и температура у P-N-переходов снижается пропорционально количеству тепла отданного (переданного) на теплоемкую прокладку, т.е. практически в три раза.

Экспериментально установленное троекратное превышение теплоемкости прокладок по отношению к теплоемкости кристаллов принято также по условию увеличения эксплуатационной надежности прибора, что обеспечивает устойчивость приборов к случайным разовым воздействиям более мощных однократных импульсов, или более длительных, или значительно превосходящих по допустимым значениям импульсных напряжений или тока. Тепло при воздействии кратковременного импульса мощности передается на теплоемкие прокладки, аккумулируясь в них, предохраняя пограничный кристалл от перегрева и сбрасывая достаточно быстро тепло через выводы на радиатор за время выключенного состояния импульса мощности, т.е. за время скважности (tθ ).

Работоспособность прибора подтверждена также расчетами. В качестве примера представлен расчет ограничителя напряжения мощностью на 20 кВт, импульсной мощности (t_и=1· 10^-3 сек, tθ =10 сек, где t_и - время импульса); напряжение ограничения U_BR=400 В, конструктивно оформленного в корпусе КД-7Ж (DO-16). В этом корпусе изготавливаются и ограничители напряжения с мощностью на 5 кВт.

Конструкция прибора представляет собой последовательно соединенные кремниевые четыре кристалла с P-N-переходами площадью S_крис=0,25 см² через прокладки S_прокл=0,33 см² и толщиной Н=400 мкм из материала КМК (ковар - 10 мкм, медь - 380 мкм, ковар – 10 мкм); пайка произведена припоем Пср - 2,5 (3-5 мкм); использованы выводы из меди диаметром 1,4 мм, δ =1,5 см; напряжение лавинного пробоя прибора равно сумме напряжений пробоя кристаллов: U_BR=U_BR1+U_BR2+U_BR3+U_BR4=100+100+100+100=400 (В).

Определим теплоемкости полупроводникового кристалла и металлической прокладки.

Основные физические константы кремния и прокладки (медь) [4]:

λ _Si - коэффициент теплопроводности кремния;

λ _Cu – коэффициент теплопроводности меди;

λ _Si=0,28 кал/см· сек· град; λ _Cu=0,96 кал/см· сек· град;

C_PSi - удельная теплоемкость кремния; C_PCu – удельная теплоемкость меди;

C_PSi=0,19 кал/г· град; C_PCu=0,092 кал/г· град≈ 0,1

кал/г· град;

P_Si - плотность вещества (кремния); P_Cu - плотность меди;

P_Si=2,34 г/см³; P_Cu=8,9 г/см³.

Теплоемкость кремниевого кристалла - С_VSi,

C_VSi=C_PSiG_Si, где G - масса кристалла кремния, г,

G_Si=V_SiP_Si=S_Sih_SiP_Si=0,8· 0,56· 0,56· 0,025· 2,34=0,01472, G=0,0147 (г)

C_VSi=0,0147· 0,19=2,8· 10^-3 (кал/град).

Теплоемкость прокладки:

C_VCu=C_PCu·G_Cu, G_Cu=S_Cuh_CuP_Cu=0,33· 0,04· 8,9=0,12 (г),

C_VCu=0,1· 0,12=0,012 (кал/град).

Тепло разогретого импульсом мощности P-N-перехода будет перераспределяться пропорционально теплоемкостям кристалла и контактирующей близко к P-N-переходу прокладки в соотношении их теплоемкостей, т.е. температура P-N-перехода снизится близко до температуры прокладки, в которую перераспределилось тепло пропорционально его теплоемкости; теплоемкость прокладки больше теплоемкости кристалла в n=0,012/0,0028=4,3 (раза).

Температура P-N-перехода кристалла, до которой нагревается за время включения мощности (Р=5 кВт, t_и=1· 10^-3 сек), определяется из зависимости [3]:

где А - коэффициент, зависящий от теплофизических параметров материала (Si);

из А=1,9 град/Вт· сек^1/2;

T_P-N=1,9· 5000· 3,16· 10^-2·0,5=151° С. (Для формы волны спадающая экспонента.)

Температура кристалла у P-N-перехода снизится до Т≈ 50° C за время релаксации тепла от P-N-перехода до прокладки.

Процесс установления теплового равновесия (охлаждения) кристалла (P-N-перехода) при скачкообразном изменении мощности, выделяющейся на P-N-переходе в виде тепла, после прекращения подачи импульса определяется зависимостью:

где t - время релаксации тепла от P-N-перехода в прокладку,

τ _Т - тепловая постоянная кристалла, характеризующая тепловую релаксацию между P-N-переходом и теплоотводом (прокладкой),

где L - расстояние от P-N-перехода до теплоотвода, определяется глубиной залегания P-N-перехода, т.е. на глубине от пограничной с прокладкой плоскости:

где а - коэффициент температуропроводности (см²/град).

Определим τ _Т и t при L=50 мкм, L=70 мкм, L=100 мкм,

τ _Т(50)=(2· 0,005/π )²1/0,64=16 (мкс)=16· 10^-6 (сек),

t₍₅₀₎=16· 10^-6·ln· 152/50=16· 10^-6·1,1=17· 10^-6 (сек),

τ _T(70)=(2· 0,007/π )²·1/0,64=20· 10^-6 (сек),

t₍₇₀₎=20· 10^-6·ln 152/50=20· 1,1≈ 22· 10^-6 (сек),

τ _T(100)=(2· 0,01/π )²1/0,64=64· 10^-6 (сек),

t₍₁₀₀₎=64· 10^-6·1,1=70,6· 10^-6 (сек).

Время нагрева прокладки (Сu):

где а_прок=1,09;

τ _Т(прок)=(2· 0,004/π )²1/1,09=6· 10^-4 (сек);

t_(прок)=τ _Т(прок)·ln 152/50=6· 10^-4·1,1=6,6· 10^-4 (сек);

а_прок - коэффициент температуропроводности прокладки;

τ _Т(прок) - тепловая постоянная медной прокладки, характеризующая тепловую релаксацию между теплоотводом (прокладкой) и последующим кристаллом;

t_(прок) - время релаксации тепла от поверхности кристалла в объеме прокладки.

Исходя из требований к величине напряжения лавинного пробоя прибора, выбранного исходного удельного сопротивления кремния и необходимого значения градиента концентрации примеси у P-N-перехода, толщина кремния от P-N-перехода до теплоемкой прокладки составила менее 70 мкм. Расчетами и экспериментально показано, что время отвода тепла от P-N-перехода, а также время релаксации тепла от арматуры, собранной через выводы, вполне удовлетворительны для работы представленной конструкции изделия при общей толщине кристалла до 350 мкм и глубине залегания P-N-перехода до 70 мкм.

Полное время релаксации тепла от P-N-перехода на прокладку:

t=1,18· 10^-4+6,6· 10^-4=7,78· 10^-4 (сек).

Время передачи тепла от P-N-перехода на противоположную сторону кристалла:

τ _Т(150)=(2· 0,015/π )²1/0,64=9,1· 10^-5 (сек),

t₍₁₅₀₎=τ _Т(150)·ln152/50=9,1· 10^-5·1,1=1· 10^-4 (сек).

Время полной релаксации тепла по кристаллу:

t₍₁₀₀₎+t₍₁₅₀₎≈1,7· 10^-4 (сек).

Суммарное время, необходимое для релаксации тепла от половины арматуры, собранной до медного вывода:

t_релакс=3t_прок+2t_крис=24· 10^-4 (сек).

Количество тепла, которое выделится на четырех P-N-переходах в течение действия импульса мощности t_и=1· 10^-3 сек, Р=20 кВт, определяется из зависимости:

4Q_P-N=4C_PSiG_Si(T_P-N-T) (кал),

4Q_P-N=4· 0,19· 0,0147· (151-50)=1,12 (кал).

Количество тепла, которое может быть передано теплопроводностью выводов, определяется по закону Фурье (через один вывод):

где Р - величина теплового потока, Вт;

λ - коэффициент теплопроводности материала (медь), λ =330 ккал/м· час· ° С;

δ - длина пути теплового потока, м;

T₁’ и T₂’ - температура в начале теплопроводника и в его конце, ° С (T₁=50° С и Т₂=25° С);

S - площадь поперечного сечения выводов, м²;

Р - 1,16· 330/0,015· (50-25)· 1,568· 10^-6=1,0 (Вт) или P=1· 0,24 кал/сек=0,24 кал/сек.

Максимально допустимое число кристаллов с P-N-переходами, в которых выделяется тепло Q_P-N и которое может быть отведено через выводы – 2Q_вывод в течение времени выключенного состояния (скважности) прибора - tθ , может быть определено из формулы:

Таким образом, выполнено условие работоспособности мощного ограничителя напряжения.

На фиг.1, 2, 3 схематически представлены ограничители напряжения на 5, 10 и 20 кВт импульсной мощности (t_и=1· 10^-3 сек, tθ _скваж=10 сек) с одним, двумя и четырьмя последовательно соединенными кристаллами согласно данному изобретению (1 - выводы, 2 - прокладки, 3 - кристаллы).

На фиг.4 представлены измеренные значения импульсной мощности в зависимости от длительности импульса. На этих приборах: Z1 (один кристалл) - U_BR=8B, Р_имп=5 кВт, (t_и=1· 10^-3 сек, tθ =10 сек); Z2 (два кристалла) - U_BR=16В, Р_имп=10 кВт (t_и=1· 10^-3 сек, tθ =10 сек); Z4 (четыре кристалла) - U_BR=32В, Р_имп=20 кВт (t_и=1· 10^-3 сек, tθ =10 сек).

На фиг.5 также представлены измеренные значения импульсной мощности в зависимости от длительности импульса. При этом последовательны соединены два кристалла с U_BR=200 В, т.е. Σ U_BR=400 В (серия Z2), и четыре кристалла и U_BR=100 В, т.е. Σ U_BR=400 В (Z4).

Источники информации

1. Б.В.Кондратьев, Б.В.Попов. Ограничители для защиты радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений. Зарубежная электронная техника, 1983 г., в. 2. М., ЦНИИ “Электроника”, с.87.

2. Лавинно-пролетные диоды. МЭП СССР ОНТИТЭИ, М., 1974 г., с.30-34, рис. 38 - прототип.

3. Г. Карслоу и Д. Егер. Теплопроводность твердых тел. Перевод с английского. М.: Наука, 1964 г., с.80.

4. Л.А. Сена. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука, 1969 г., с.145.

Ограничитель напряжения, содержащий размещенные в изолирующем корпусе с положительным и отрицательным выводами полупроводниковые кристаллы кремния с, по крайней мере, одним p-n-переходом, которые соединены последовательно друг с другом и выводами через металлические прокладки, являющиеся тепловыми компенсаторами, кристаллы выполнены одинакового размера и имеют равные значения напряжения лавинного пробоя, при этом суммарная величина напряжения лавинного пробоя последовательно соединенных кристаллов равна величине напряжения лавинного пробоя ограничителя напряжения, теплоемкость и теплопроводность каждой металлической прокладки больше не менее чем в три раза соответственно теплоемкости и теплопроводности каждого кристалла, а максимально допустимое количество кристаллов, обеспечивающих надежную работу ограничителя при максимально допустимой импульсной мощности, определено из соотношения:

n=0,48Q_вывод·t₀/Q_P-N,

Q_P-N=C_si·G_si·(T_P-N-T), где

n - максимально допустимое число кристаллов в ограничителе напряжения;

Q_вывод - количество тепла, которое может быть передано выводом ограничителя к радиатору за t₀ - время скважности, кал/с;

Q_p-n - количество тепла, выделяемое на одном p-n-переходе при воздействии максимально допустимой импульсной мощности, кал;

t₀ - время выключенного состояния прибора - время скважности, с;

λ - коэффициент теплопроводности материала выводов (Cu), ккал/м· ч· ° С;

Т - температура p-n-перехода после истечения времени выключенного состояния прибора, ° С;

Т_p-n - максимальная температура p-n-перехода, ° С;

и - температура на одном и другом концах выводов, ° С;

S - площадь поперечного сечения выводов, м²;

δ - длина пути теплового потока от крайнего компенсатора - прокладки до радиатора, м;

С_si - удельная теплоемкость кристалла кремния кал/г· град,

G_si - масса кристалла кремния, г.