История электротехники - Коллектив авторов

В 50-е годы появились первые маломощные полупроводниковые диоды на базе германия и кремния (рис. 11.7).

Исследования по созданию отечественных мощных полупроводниковых диодов на основе германия были начаты в середине 50-х годов. Они базировались на фундаментальных исследованиях в области физики твердого тела, выполненных в нашей стране А.Ф. Иоффе и его школой. Первые расчеты и экспериментальные образцы плоскостных p-n-переходов были получены Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе, а затем продолжены ВЭИ и саранским заводом «Электровыпрямитель». Первые типы промышленных диодов (вентилей) были созданы С.Б. Юдицким (ВЭИ).

Методом сплавления германия с индием были созданы диоды серии ВГ — вентили германиевые на токи до 200 А (импульсные токи до 900 А) на напряжение до 200 В. Хотя прямые падения напряжения на таких диодах были около 1 В, принципиальная невозможность получения p-w-переходов на более высокие напряжения из-за недостаточной ширины запрещенной зоны и низкого удельного электрического сопротивления ограничила применение германия.

С начала 60-х годов выполнялись исследования и разработки силовых приборов на основе монокристаллического кремния. Результаты теоретического анализа физических явлений в p-n-переходах в полупроводниках к этому времени уже позволяли проектировать диоды для преобразовательных устройств промышленной электроники.

В конце 50-х годов в лабораториях ВЭИ были созданы первые отечественные кремниевые вентили на токи 200 А (ВК-200). Основные функциональные элементы — p-n-переходы формировались методом сплавления алюминиевой фольги с кремниевыми дисками диаметром 25 мм. Малая толщина рекристаллизованного p-слоя ограничивала пробивные напряжения таких p-n-переходов на уровне 300–400 В. Это сужало применение диодов серии ВК в сетях с промышленным уровнем напряжения и требовало их последовательного соединения, что диктовало применение выравнивающих RC-цепочек, усложняло электрические схемы и конструкции выпрямительных устройств.

Необходимость повышения рабочих напряжений стимулировала исследования по разработке диффузных методов формирования многослойных структур с p-n-переходам и (В.Е. Челноков, В.М. Тучкевич).

В 1961 г. были разработаны вентили серии ВКД (вентили кремниевые диффузионные) на 200 А (диаметр кремниевого диска 25 мм) на напряжения около 1000 В. Это уже позволило комплектовать ими выпрямители электровозов и мотор-вагонные секции электропоездов для эксплуатации на участках железных дорог, питаемых переменным напряжением около 25 кВ.

Уже через год (в 1962 г.) были созданы первые отечественные силовые тиристоры, называемые тогда управляемыми вентилями (например, ВКДУ-150 — вентиль кремниевый диффузионный управляемый на ток 150 А). Вскоре счет модификаций, типоразмеров, типономиналов и конструкций вентилей пошел на десятки и сотни.

Несомненно, что особой вехой в развитии силовых полупроводниковых приборов (СПП) стало создание в середине 60-х годов диодов и тиристоров таблеточной конструкции. Двусторонний отвод теплоты позволил практически удвоить нормальные токи приборов при тех же площадях выпрямительных элементов.

Специфика технологии производства СПП, их уникальные свойства (высокая коммутационная способность, быстродействие, простота обслуживания, высокие КПД, надежность и долговечность) привели к бурному развитию силового полупроводникового приборостроения. Оно стало особым звеном в полупроводниковой электронике.

Следует особо отметить, что развитие в 60–70-х годах методов диффузионного легирования кремния бором, алюминием, фосфором и др. происходило с учетом свойств отечественного монокристаллического кремния. Жесткие требования к параметрам и характеристикам СПП привели к необходимости совершенствования технологии и повышения качества кремния.

Выращивание монокристаллов кремния методом Чохральского не позволяет достичь удельного сопротивления выше 100 Ом∙см. Кроме того, разброс значений удельного сопротивления на торцах и по длине таких монокристаллов составляет 10–30%. Все это существенно ограничило возможности проектирования и создания СПП с высокими параметрами.

Получивший распространение в технологии СПП метод бестигельной зонной плавки монокристаллов кремния дал возможность изготавливать исходный материал с высокими значениями удельного сопротивления. Появилась проблема однородности легирования монокристаллов кремния по их длине и сечению, которая была решена в 70–80-х годах радиационными нейтронными методами.

Ядерная реакция, приводящая при облучении кремния медленными нейтронами к превращению атомов одного из изотопов кремния w атомы фосфора, позволила изготавливать однородные монокристаллы «-типа (легированные фосфором) с заданными диапазонами удельных сопротивлений и достаточными временами жизни неосновных носителей. Именно радиационно-легированный кремний (РЛК) позволил обойтись без импорта основного исходного материала и создать СПП, необходимые преобразовательной технике.

11.2.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Линии передачи постоянного тока высокого напряжения предполагались как средство передачи энергии на большие расстояния. Первой опытно-промышленной линией была передача Кашира — Москва; до настоящего времени эксплуатируется линия Волгоград — Донбасс. Разрабатывалась линия Экибастуз — Центр. В этот проект были вложены огромные материальные и интеллектуальные ресурсы. И хотя коренная перестройка нашей хозяйственной системы сделала невозможной в настоящее время реализацию подобных проектов, передача энергии постоянным током нашла применение для асинхронной связи энергосистем с различными частотами либо различными стандартами параметров электроэнергии. Убедительным примером такого рода служит выборгская вставка постоянного тока для передачи энергии России в Финляндию.

Первые передачи постоянного тока высокого напряжения были сооружены в нашей стране на основе ртутных вентилей (рис. 11.8). Однако ненадежность этих преобразовательных аппаратов в значительной степени затруднила их реализацию.

С появлением силовых тиристоров, успешным опытом их применения появилась возможность создания высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ), которые имеют ряд преимуществ по сравнению с их ртутными предшественниками. Тиристорные вентили позволяют создавать преобразователи на широкий диапазон напряжений и токов, требуют минимального обслуживания. Начиная с середины 60-х годов в СССР развернулись научно-исследовательские работы и проектирование преобразовательных подстанций на основе ВТВ. За сравнительно короткое время были достигнуты значительные успехи, и уже в 1972 г. были прекращены работы по созданию ртутных вентилей.

Первоначально создаваемые ВТВ предназначались для замены ртутных вентилей на действующих линиях передачи. В 1969 г. впервые в инженерной практике было осуществлено включение в эксплуатацию тиристорного моста напряжением 100 кВ и мощностью 15 МВт на действующей линии электропередачи Кашира — Москва. Разработка была выполнена в ВЭИ. На этой же передаче прошли испытания вентили, разработчиками которых были Научно-исследовательский институт постоянного тока (НИИПТ) и Энергетический институт Академии наук (ЭНИН).

В дальнейшем работы по созданию ВТВ сосредоточились в основном в ВЭИ. Они были направлены на создание оборудования для проектируемой сверхмощной линии передачи постоянного тока Экибастуз — Центр напряжением 1500 кВ и мощностью 6000 МВт.

В рамках этой программы совместно с заводом «Уралэлектроаппарат» был создан тиристорный мост напряжением 100 кВ и мощностью 90 МВт, предназначенный для работы в каскадной схеме на высшем потенциале по отношению к земле. С 1974 г. началась его опытно-промышленная эксплуатация.

Одним из передовых технических решений было применение оптоэлектронной системы управления на линии передачи постоянного тока. Оптоэлектронные каналы радикальным образом решают проблемы изоляции и помехоустойчивости системы управления вентилем и тем самым прокладывают путь к созданию ВТВ на сверхвысокие напряжения. Основные элементы этих каналов (специально разработанный в нашей стране в НИИ «Полюс» крупнейший в мире полупроводниковый квантовый генератор световых сигналов мощностью свыше 200 Вт, световоды для работы на высоких напряжениях и длиной свыше 30 м) освоены отечественной промышленностью, и, как показала практика, имеют высокую эксплуатационную надежность. Эти элементы позволяют одновременно управлять сотнями тиристоров с потенциала земли. При этом источники света и системы регулирования преобразователей могут находиться в отдельном помещении и соединяться с вентильным залом лишь с помощью световодов.