Полупроводниковых приборов

2.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТИРИСТОРА

Основу переключателя в управляемого вентиля (тиристора) составляет четырехслойная PNPN -структура, схематическое изображение которой приведено на рисунке 2.1. По аналогии с транзистором средние слои структуры N₁ и Р₂ называются базовыми областями, а крайние слои Р₁ и N₂ - соответственно Р -эмиттером и N -эмиттером. У тиристоров N -эмиттер называется также катодом, а Р -эмиттер анодом. В отличие от переключателей у тиристоров кроме катодного и анодного выводов имеется дополнительный вывод от базовой области структуры, называемый управляющим электродом. Наличие управляющего электрода (УЭ), как это будет показано ниже, позволяет воздействовать на процесс переключения структуры в проводящее состояние и тем самым определяет существенные преимущества тиристоров перед переключателями.

Рассмотрим сначала механизм действия структуры переключателя или, что то же самое, действие структуры тиристора при разомкнутой цепи управляющего электрода. Для этого приложим к структуре внешнее напряжение в прямом направлении, которому соответствует подсоединение положительного полюса источника к области Р₁ а отрицательного − к области N₂. При такой полярности приложения напряжения переходы 1 и 3 смещаются в прямом, а центральный переход 2 − в обратном направлении.

Смещение перехода 2 в обратном направлении обусловливает низкую проводимость всей структуры. Поэтому участок вольт амперной характеристики, соответствующий непроводящему состоянию структуры в прямом направлении (участок 1 на рисунке 2.2), имеет тот же характер, что и характеристика диода в обратном направлении.

Однако при увеличении напряжения смещения до критической величины, называемой напряжением переключения U_(во), взаимодействие всех трех электронно-дырочных переходов обеспечивает переключение структуры в проводящее состояние.

Упрощенный анализ, раскрывающий условие переключения структуры в состояние высокой проводимости, можно провести, используя двухтранзисторную аналогию. Действительно, PNPN - структуру условно можно расчленить (см. рисунок 2.1) на два транзистора NPN и PNP с коэффициентами усиления, соответственно и . Используя эти коэффициенты, механизм протекания рекомбинационных токов в структуре можно представить следующим образом.

Положительное смещение крайних переходов 1 и 3 (см. рисунок 2.2) обусловливает инжекцию неосновных носителей заряда в базовые области.

Рисунок 2.1 − Четырехслойная структура со схематическим

изображением потоков дырок и электронов

Рисунок 2.2 −Вольт-амперная характеристика тиристора

При этом дырки, инжектированные в область N₁ транзистора P₁N₁P₂ частично рекомбинируют в ней, а частично перебрасываются переходом 2 в базовую область транзистора N₁P₂N₂.

Если обозначить дырочный ток из области Р₁ через I_р, то часть его, достигшая области Р₂, может быть выражена через коэффициент усиления как I_p· .

Тогда рекомбинационный дырочный ток базы N₁ будет равен (1-α₂)·I_p. Кроме того, часть дырок уходит из области N₁ за счет дырочной составляющей коллекторного тока I_кр. Аналогично можно представить распределение электронной составляющей тока в условном транзисторе N₁P₂N₂ через его коэффициент усиления. В результате уравнения баланса токов в центральных областях структуры примут вид

(2.1) (2.2)

Учитывая, что при диодном включении структуры а ток коллекторного перехода , из уравнения (2.1) или (2.2) получаем

,

откуда

. (2.3)

Из выражения (2.3) видно, что резкое увеличение тока через структуру, т.е. переключение ее в состояние высокой проводимости, происходит при достижении коэффициентами усиления α₁ и α₂ значений, при которых их сумма приближается к единице.

Отметим, что сами эти коэффициенты, являясь функцией тока через структуру, быстро возрастают лишь при значениях плотности тока, превышающих 10^-3…10^-2 А/см².Поэтому при напряжениях смещения, которым соответствуют меньшие плотности тока, значения коэффициентов малы и структура находится в устойчивом выключенном состоянии.

При увеличении внешнего напряжения до критиче­ского значения взаимное влияние коэффициентов усиления и плотности тока (что равносильно наличию внутренней положительной обратной связи) обеспечивает лавинное нарастание тока через структуру и как следствие − переключение ее в состояние высокой проводимости.

Физическая сущность этого явления заключается в том, что число основных носителей заряда, поступающих за единицу времени в базовые области через центральный переход, становится больше числа носителей, которое может прорекомбинировать в них.

В результате диффузионные процессы начинают преобладать над рекомбинационными и переход 2 смещается в противоположном, по отношению к внешнему напряжению, направлении. При этом сопротивление структуры резко уменьшается и ток, протекающий через нее, ограничивается только сопротивлением внешней цепи.

Из приведенного анализа механизма действия структуры ясно, что для обеспечения ее переключения необходимо каким-либо способом увеличить концентрацию неравновесных носителей заряда в базовых областях. Наряду с уже рассмотренным выше способом, это можно осуществить также нагреванием структуры или отдельных се участков, облучением светом, увеличением емкостного тока утечки центрального перехода, за счет резкого увеличения анодного напряжения, введением носителей с помощью управляющего электрода.

Имея в виду, что анодное напряжение должно быть приложено к структуре в любом случае, каждый из перечисленных способов можно использовать как дополнительно воздействующий фактор. Очевидно, что при одновременном применении двух способов воздействия на структуру напряжение, при котором происходит ее переключение, уменьшается.

Следовательно, изменяя интенсивность действия дополнительного источника зарядов, можно управлять напряжением переключения. На практике для этих целей используются в основном два способа: управление с помощью управляющего электрода (у тиристоров) и управление с помощью света (у фототиристоров). Для осуществления первого способа дополнительный электрод подсоединяется к одной из базовых областей, как это показано на рисунке 2.6.

Если приложить к нему положительное относительно катода напряжение, то увеличением тока основных носителей в базе условного триода N₁P₂N₂ можно произвольно воздействовать на его коэффициент α₁ и, следовательно, на переключение всей структуры.

В полученном ранее уравнении для тока через структуру (2.3) наличие управляющего тока отражается появлением дополнительного члена I_y·α₁ в числителе правой части:

При достаточно большом токе управления переключение структуры происходит при малом напряжении на аноде и участок 2 вольт-амперной характеристики исчезает (рисунок 2.2).

В случае приложения к структуре обратного напряжения центральный переход ее оказывается смещенным в прямом направлении, а два крайних перехода − в обратном. Ток через структуру при этом определяется свойствами наиболее высоковольтного анодного PN -перехода. Практически зависимость обратного тока от напряжения в этом случае в количественно и качественно совпадает с аналогичной зависимостью для неуправляемого вентиля.

На основе рассмотренного выше принципа взаимодействия электронно-дырочных переходов в многослойных структурах создан целый ряд отличающихся по свойствам полупроводниковых приборов.

В частности, на основе пятислойной структуры созданы такие приборы, как симметричный переключатель, симистор, обращенный тиристор. Первые два типа приборов в соответствии со своим названием обладают симметричными вольтамперными характеристиками, т. е. способны переключаться в проводящее состояние в обоих направлениях.

2.2ТЕХНОЛОГИЯ И КОНСТРУКЦИИ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ

Получение структуры с чередующимися областями Р - и N - типов в современных условиях может быть осуществлено различными технологическими методами: диффузией, сплавлением, сочетанием диффузии и сплавления, эпитаксиальным методом и др.

Эпитаксиальная технология, или ориентированное выращивание полупроводниковых пленок на монокристаллической подложке, позволяет получить структуры, способные работать при повышенных напряжениях и частотах. Электрические потери в таких структурах минимальны. Очевидно, что эпитаксиальной технологии создания РN- переходов принадлежит будущее.

В современном отечественном производстве кремниевых управляемых и неуправляемых вентилей наибольшее применение находит диффузионная технология изготовления многослойных структур.

Основой структуры при использовании этого метода является диск из монокристаллического кремния N -типа толщиной 0,5…0,7 мм и диаметром 17…70 мм (определяется типоразмером прибора). После тщательной шлифовки в очистки диска с обеих сторон при определенных температурных режимах производится диффузия примесей Р- типа. В результате получается PNP -структура. Последующей сошлифовкой одного из слоев Р -типа из нее получают двухслойную структуру диода.

Если изготовляется структура тиристора, то с одной из сторон РNР- структуры, исключая небольшие участки в местах последующего монтирования управляющего электрода и шунтирования эмиттерного перехода, повторной диффузией внедряют примеси N -типа.

Причем концентрация донорных атомов должна быть больше концентрации первоначально введенных примесей Р -типа (рисунок 2.3.).

Шунтировка (закоротка малым сопротивлением) эмиттерного перехода реализуется при сборке вентильного элемента, показанного на рисунке 2.4. Она служит для улучшения температурной стабильности и повышения предельного напряжения тиристоров.

Рисунок 2.3 − Распределение концентрации примесей при

изготовлении многослойных полупроводниковых структур

1 − Р -слой; 2 − N -база: 3 − Р -база; 4 − N- слой; 5 − вольфрамовый электрод; 6 − шунтировка; 7 − катодный вывод; 8 − вывод управляющего электрода; 9 − вольфрамовый электрод

Рисунок 2.4 − Схематический разрез вентильного элемента

тиристора

Изготовленные таким образом структуры диода или тиристора после снятия фаски по внешнему диаметру напаиваются на вольфрамовый диск, а затем монтируются в герметичный корпус.

Фаска, снимаемая под определенным углом к плоскости кремниевой шайбы (рисунок 2.4.), обеспечивает уменьшение напряженности электрического поля на РN -переходах в местах выхода их на боковую поверхность. На рисунке 2.5 приведен пример технологического маршрута при изготовлении одного из типов быстродействующего тиристора.

Конструкция СПП должна обеспечивать их высокую эксплуатационную надежность, требуемый срок службы, минимальные массу и габаритные размеры, надежную герметичность корпуса, хороший электрический и тепловой контакт между отдельными элементами, компенсацию механических напряжений, простое и надежное соединение с охладителями, удобство группового соединения.

Основой конструкции любого прибора является вентильный элемент, определяющий электрические характеристики СПП.

Важным моментом при изготовлении вентильного элемента представляется создание контакта с кремниевой структурой.

Кремний имеет малую предельно допустимую деформацию. Если выполнить жесткое соединение кремниевого диска с медными электродами, например с помощью пайки, могут возникнуть недопустимые механические напряжения при изменении температуры нагрева.

Для уменьшения деформации в вентильном элементе применяются электроды в виде дисков из металла, обладающего близким к кремнию температурным коэффициентом линейного расширения (вольфрам, молибден).

Эти диски компенсируют механические напряжения, возникающие в местах соединения вентильного элемента с медными частями корпуса, но затрудняют отвод теплоты, выделяющейся в структуре.

На рисунке 2.6. показана штыревая конструкция диода с жестким соединением вентильного элемента с корпусом. При таком исполнении прибора полупроводниковая структура 3 впаивается предварительно между двумя вольфрамовыми электродами. Затем электрод, соединенный с N -областью структуры, припаивается к массивному медному основанию 1 корпуса, выполненному в виде шестигранника (под ключ) с нарезной шпилькой 10, служащей для соединения прибора с охладителем.

Рисунок 2.5 −Технологическая схема изготовления

быстродействующего тиристора

К другому электроду, являющемуся анодом диода, припаивается гибкий канатик из медной проволоки 4, с помощью которого осуществляется вывод анода за пределы корпуса через стеклянный изолятор 6. Герметичность корпуса обеспечивается завальцовкой стального стакана 5 в основание с пластичной фторопластовой прокладкой 2. Для удобства включения прибора в электрических схемах к анодному электроду через герметизирующие стальные стаканы 7 и 8 подсоединяется жесткий или гибкий, как показано на рисунке 2.6, внешний вывод 9.

Аналогично могут быть выполнены и тиристоры штыревой конструкции. Внешне они отличаются от диодов лишь наличием третьего вывода − управляющего электрода, который, как и анодный вывод диода, закреплен в стеклянном изоляторе. Но надо иметь в виду, что у тиристоров к медному основанию корпуса припаивается электрод, соединенный с Р -областью структуры. Поэтому основание тиристора в отличие от диода является анодом, а гибкий (или укороченный жесткий) вывод, закрепленный в стеклянном изоляторе − катодом.

Общим недостатком СПП штыревой конструкции с жестким соединением вентильного элемента с корпусными элементами является их низкая термоциклоустойчивость и относительно низкая нагрузочная способность. Последнее обстоятельство непосредственно связано с ухудшением теплоотвода от кремниевой структуры из-за наличия вольфрамовых термокомпенсаторов с обеих ее сторон.

В последние годы все более широкое распространение получают СПП штыревого и таблеточного исполнения с прижимными вентильными элементами. Причем сам вентильный элемент содержит только один вольфрамовый термокомпенсатор, припаянный к кремниевой структуре со стороны анода у тиристоров или со стороны катода у диодов. Вторая плоскость структуры в процессе сборки прижимается через серебряную или оловянистую прокладку непосредственно к медному основанию корпуса.

На рисунке 2.7. показана конструкция одного из типов тиристоров (Т153-630) таблеточного исполнения. Вентильный элемент прибора, состоящий из кремниевой структуры 5 и вольфрамового диска 6, припаянного со стороны анода, расположен между основаниями 4 и 9 металлокерамического корпуса. С каждой стороны вентильного элемента имеется серебряная прокладка.

Причем в верхней прокладке (со стороны катода) в центре имеется круговое отверстие для подсоединения управляющего электрода.

В основании 4 сделано осевое отверстие, в котором размещен изолированный теплостойкой изоляционной трубочкой и керамической втулкой 1 управляющий электрод З.

В рабочем состоянии прибора управляющий электрод вместе с центрирующей керамической втулкой прижимается к выведенной на поверхность структуры управляющей области (Р -базы) с помощью пружины 2.

Для исключения смещения вентильного элемента и серебряных прокладок относительно оснований корпуса служит фторопластовое кольцо 7. Изоляция между катодом и анодом обеспечивается ребристым керамическим изолятором 8. Через этот же изолятор осуществляется вывод за пределы корпуса управляющего электрода.

Рисунок 2.6 −Конструкция силового диода

Рисунок 2.7 − Конструкция тиристора с прижимными

контактами

Необходимое усилие сжатия элементов этой конструкции создается в процессе сборки прибора с типовыми охладителями посредством стяжных болтов для фиксации положения таблетки относительно поверхностей охладителей в основаниях корпуса 4 и 9 имеются углубления 10 под штифты.

Заметим, что в данной конструкции отвод выделяющейся в кремниевой структуре теплоты осуществляется через оба основания. Это позволяет значительно повысить предельные токи приборов.

Для некоторых специальных применений промышленность выпускает приборы с отличными от рассмотренных корпусами. Так, для систем возбуждения турбогенераторов разработаны и изготовляются приборы штыревой конструкции с плоским основанием (без шпильки) круглой формы.

По периметру основания имеются отверстия для крепления прибора к охладителю с помощью болтов. Для автотракторных диодов разработан корпус под запрессовку в охлаждающие устройства. Имеются я другие варианты специальных корпусов, однако общие принципы конструирования СПП, реализующие предъявляемые к конструкциям требования, несущественно отличаются от рассмотренных.

2.3 ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Многообразие областей применения силовых полупроводниковых приборов обусловливает необходимость иметь самую полную информацию, характеризующую их возможности. По этой же причине целесообразным является использование для полупроводниковых приборов системы предельных параметров (в отличие от системы номинальных параметров, принятых для электротехнических устройств).

Система предельных параметров характеризует предельные возможности приборов вне зависимости от режимов их работы. Это позволяет разработчику полупроводниковых устройств самому выбирать оптимальные условия работы приборов с учетом требований к технико-экономическим показателям и уровню надежности проектируемого аппарата. В результате коэффициент использования важнейших параметров может быть существенно повышен, что имеет особое значение при необходимости в групповом включении большого числа тиристоров или диодов. Предельные (граничные) параметры приборов, так же как я предельные эксплуатационные условия их работы, ни при каких режимах не должны быть превышены (или занижены).

В интервале предельно допустимых режимов работы свойства полупроводниковых приборов определяются так называемыми характеризующими параметрами. Последние дополняют информацию о характеристиках приборов, раскрывают их взаимосвязь при различных условиях работы; они могут быть измерены непосредственно или косвенно по известной зависимости от других параметров.

В последующем изложении ограничимся рассмотрением только основных параметров и характеристик полупроводниковых приборов, имеющих важное значение при разработке схем полупроводниковых электрических аппаратов.

Температура полупроводниковой структуры является основным критерием работоспособности приборов и стабильности их характеристик в течение всего срока службы. Нижний предел рабочего диапазона температур обусловлен необходимостью ограничения механических напряжений, возникающих из-за различий в коэффициентах линейного расширения отдельных элементов конструкции.

Минимально допустимая температура для силовых диодов и тиристоров отечественного производства составляет минус 40…50 °С. Максимальная рабочая темпера тура плюс 125…190°С обусловливается допустимым уровнем снижения выдерживаемого структурой напряжения (без переключения в прямом направлении для тиристоров), а также циклоустойчивостью приборов в повторно-кратковременных режимах нагрузки их током.

Следует иметь в виду, что экспериментальные и расчетные методы определения температуры не позволяют учесть неравномерность разогрева структуры из-за различной плотности тока. Поэтому вводится понятие об эквивалентной температуре полу проводниковой структуры. Этот термин определяет усредненное по площади структуры и во времени значение температуры, измеренной по одному из зависящих от температуры параметров при определении нагрузочной способности полупроводниковых приборов в любых режимах работы.

При установившемся тепловом состоянии взаимосвязь между эквивалентной температурой структуры Тj выделяющейся в ней мощностью и тепловыми характеристиками конструкция прибора выражается зависимостью

(2.4)

где −температура корпуса, измеренная в указанной изготовителем точке;

P_Σ −суммарные потери мощности;

R_B − внутреннее установившееся тепловое сопротивление.

Внутреннее установившееся тепловое сопротивление характеризует свойство конструктивных элементов прибора оказывать сопротивление отводу теплоты, выделившейся в РN -структуре. В соответствии с выражением (2.4), оно определяется как отношение превышения температуры полупроводниковой структуры над температурой корпуса к рассеиваемой в ней мощности, т.е.:

(2.5)

На практике для улучшения теплоотвода приборы монтируются на специальных охладителях (радиаторах), которые, в свою очередь, подвергаются интенсивному охлаждению. В этом случае тепловое состояние системы в целом характеризуется общим установившимся тепловым сопротивлением

где R_B − внутреннее установившееся тепловое сопротивление см. выражение (2.5); R_c-o − тепловое сопротивление контакта между прибором и охладителем; R_о-а − тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.

При кратковременных или повторно-кратковременных режимах нагрузки приборов током тепловое сопротивление является функцией длительности воздействия импульса мощности электрических потерь. В этом случае тепловое состояние системы «прибор − охладитель» характеризуется переходным тепловым сопротивлением Z_T, которое определяется отношением мгновенных значений превышения температуры структуры над температурой окружающей среды T a к выделяемой в импульсе мощности:

(2.6)

Внутреннее переходное тепловое сопротивление соответственно определяется выражением

Экспериментально полученные зависимости переходных тепловых сопротивлений Z_T от длительности воздействия импульса мощности при определенных способах охлаждения приводятся в справочных материалах для каждого типа приборов в виде кривых, как это показано на рисунке 2.8.

Они могут быть использованы для расчета нагрузочной способности приборов в любом режиме работы.

Рисунок 2.8 − Переходное тепловое сопротивление

тиристора Т143-300 при различных скоростях обдува воздухом

1-υ =0; 2-υ =6 м/с; 3-υ =12 м/с

2.4 ПАРАМЕТРЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПО ТОКУ И НАПРЯЖЕНИЮ

В соответствии с методиками, применяемыми при исследовании полупроводниковых приборов, различают статическую и динамическую вольт-амперные характеристики (ВАХ).

Статическая (ВАХ) снимается на постоянном токе по точкам раздельно в прямом в обратном направлениях. При исследовании прямой ветви характеристики каждую точку снимают после установления падения напряжения па приборе. С учетом зависимости падения напряжения от температуры это означает, что последовательно фиксируемые точки (ВАХ) соответствуют различным тепловым состояниям структуры.

Поэтому использование статических характеристик для нагрузочных характеристик приборов по току может привести к значительным погрешностям. Кроме того, чрезмерный разогрев структуры в процессе измерений не позволяет получить прямую ветвь характеристики для больших токов, которые способны кратковременно выдерживать приборы.

Динамическая (ВАХ) устанавливает зависимость между мгновенными значениями протекающего через прибор тока и напряжения на нем. Классификационная динамическая характеристика снимается в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока в угле проводимости 180°.

При снятии прямой ветви характеристики (спрямленной характеристики для тиристоров) фиксируются амплитудные значения анодного тока и падения напряжения. Обычно эти характеристики получают для двух значений температуры полупроводниковой структуры: комнатной (T_j = 25°С) и максимально допустимой для данного типа прибора.

Измерения проводятся с помощью осциллографа в интервале одного полупериода тока. Кратковременность процессов измерения позволяет исключить существенный дополнительный нагрев структуры измеряемым током, поэтому исследуемая характеристика соответствует заданному температурному режиму.

Обратная прямая (для тиристора) ветви (ВАХ), которые соответствуют состоянию низкой проводимости приборов, снимаются также с помощью осциллографа при максимально допустимой температуре полупроводниковой структуры. Общий вид вольтамперных характеристик показан на рисунке 2.2. Они являются базовыми для определения приведенных ниже важнейших эксплуатационных (паспортных) параметров приборов по току и напряжению.

Предельный ток I_п −максимально допустимый средний за период ток, длительно протекающий через прибор в вызывающий предельно допустимый нагрев полупроводниковой структуры при определенных условиях охлаждения. Предельный ток определяет тип прибора и при заданных условиях охлаждения может быть рассчитан по формуле.

(2.7)

где − пороговое напряжение и динамическое сопротивление прибора, определяемые из вольтамперной характеристики (спрямленной ВАХ для управляемых вентилей);

, −максимально допустимая температура полупроводниковой структуры и температура охлаждающей среды.

Параметры и определяются из (ВАХ) проведением аппроксимированной прямой линии, проходящей через точки с ординатами 1,57 и 4,71 предельного тока. Точка пересечения этой прямой с осью напряжений определяет численное значение порогового напряжения, а котангенс угла ее наклона − динамическое сопротивление.

При использовании приборов в условиях, которые не совпадают с классификационным, предельный ток находится по формуле

(2.8)

где и Т_а - фактические значения теплового сопротивления и температуры охлаждающей среды; - коэффициент формы тока, равные отношению действующего значения тока к среднему.

Для синусоидальной и прямоугольной формы тока, рассчитанные по выражению (2.8) зависимости и от температуры охлаждающей среды при различных углах проводимости приводятся в информационных материалах.

Ток утечки I_D протекающий через прибор при приложении к нему напряжения в прямом направлении и разомкнутой цепи управляющего вывода. Классификационное значение I_D (амплитудное значение), так же как и значение обратного тока I_R определяется при максимально допустимой температуре РN -структуры и напряжении, соответствующем классу прибора.

Ток включения I_L − наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии непосредственно после переключения его из закрытого состояния в открытое, при прекращении управляющего импульса.

Ток удержания I_H − наименьший анодный ток через прибор при разомкнутой цепи управления, при котором он еще находится в открытом состоянии.

Напряжение переключения U_(BO) − прямое напряжение, при котором тиристор переключается в проводящее состояние при разомкнутой цепи управляющего вывода.

Максимальное обратное импульсное напряжение U_(BR) напряжение, соответствующее области загиба обратной ветви вольтамперной характеристики, когда даже небольшое приращение напряжения вызывает резкое увеличение обратного тока. Паспортное значение U_(BR) определяется при заданном значении допустимого обратного тока.

Определение параметров U_(BO) и U_(BR) производится при максимальной допустимой температуре полупроводниковой структуры. Конкретные значения их являются исходными данными для определения эксплуатационных параметров приборов по напряжению, приведенных ниже.

Повторяющееся импульсное напряжение U_П −наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемого к прибору в обратном или прямом (закрытом) направления, с учетом всех повторяющихся напряжений, но с исключением всех неповторяющихся переходных напряжений.

Этот параметр определяет класс прибора по напряжению, численно равный U_П/100.

Повторяющееся напряжение U_DSM − наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося переходного напряжения, прикладываемого к прибору в обратном или прямом (закрытом) направлении.

Рекомендуемое рабочее напряжение U_DWM − амплитудное значение напряжения синусоидальной формы, прикладываемого к прибору в обратном (прямом) направлении при отсутствии повторяющихся напряжений.

Прямое падение напряжения U_TM − мгновенное значение напряжения на приборе при прохождении через него прямого тока iA. По этому параметру производится разбраковка полупроводниковых приборов. Амплитудное значение падения напряжения при токе, равном π·I_п и T_j=25°С приводится в паспортных данных.

Кроме этих параметров, определяемых непосредственно из классификационных ВАХ, для практических применений приборов необходимо знать следующие параметры по току:

− ток рабочей перегрузки I_p.п −ток нагрузки непосредственно после режима с током, меньшим предельного, длительное протекание которого может вызвать превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, но который ограничен во времени так, что превышение этой температуры не происходит. В соответствии с определением воздействие на прибор тока рабочей перегрузки не влечет за собой никаких последствий, и поэтому число воздействий этого тока за весь срок службы не ограничивается.

Непосредственно после прохождения тока I_p.п к прибору можно прикладывать полное (повторяющееся) напряжение. Так же, как и предельный ток, ток рабочей перегрузки может быть рассчитан с использованием формул (2.7) в (2.8). В информационных материалах рабочие перегрузки приборов для случаев предварительной нагрузки их током, разным 0; 20; 40; 60 в 80 % от I_П, приводятся в виде зависимостей, показанных на рисунке 2.9;

− ток аварийной перегрузки I_а.п −ток, протекание которого вызывает превышение максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры, и поэтому воздействие его предполагается лишь ограниченное число раз за весь срок службы прибора. Непосредственно после протекания тока аварийной перегрузки прибор может временно утратить запирающую способность. Это надо учитывать и предусматривать необходимые меры, исключающие повреждение приборов. Приложение напряжения к прибору после протекания I_а.п допускается в пределах 80 % от UП;

Рисунок 2.9 − Зависимость максимальной допустимой

амплитуды тока рабочей перегрузки от длительности ее воздействия для тиристора Т123-320 (k − отношение тока предварительной нагрузки к предельному току; скорость обдува воздухом = 12 м/с)

− ударный неповторяющийся ток I_TSM - максимально допустимая амплитуда импульса аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданной начальной температуре полупроводниковой структуры без последующего приложения напряжения. Ударный ток, а также значение интеграла аварийного тока, дают оценку кратковременной (1…10 мс) перегрузочной способности полупроводниковых приборов, их термической устойчивости. Эти параметры определяют выбор защитных устройств.

2.5 ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЕНИЯ

Входная характеристика тиристора определяются свойствами катодного электронно-дырочного перехода 3 (см. рисунок 2.1) и проводимостью прилегающих к нему областей N₂ и Р₂. Она представляет собой зависимость между током и напряжением в цепи «управляющий электрод − катод» в определенном диапазоне температур.

Вследствие причин технологического характера вольт − амперные характеристики одного в того же типа тиристоров имеют большой разброс.

Это вызывает необходимость представить характеризующие цепь управления величины в виде диаграммы, показанной на рисунке 2.10.

На диаграмму наносятся предельные вольт − амперные характеристики управления, соответствующие тиристорам с максимальным (кривая) и минимальным (кривая 2) сопротивлением входной цепи.

Вследствие того, что температурный коэффициент сопротивления управляющей цени положительный, вольт-амперная характеристика для тиристора с R_Gmax снимается при максимально допустимой температуре, а для тиристора с R_Gmin при минимально возможной в условиях эксплуатации температуре. В результате геометрическая область, заключенная между кривыми 1 и 2, содержит в себе все значения напряжений и токов управления, при которых включаются тиристоры данного типа.

Однако для проектирования систем управления тиристорами этой информации еще недостаточно. На диаграмме должны быть отмечены также следующие граничные значения напряжений и токов управления:

−максимально допустимые напряжение U_Gm и ток I_Gm в цепи управления, не вызывающе повреждения тиристора;

−наименьшее значение тока управления I_Gmin, необходимого для переключения тиристора, и напряжение управления U_Gmin, обеспечивающее получение этого тока. Эти параметры определяются обычно при анодном напряжении 12 В и трех значениях температуры полупроводниковой структуры (минимально допустимой, максимальной и комнатной).

На диаграмме значения I_Gmin и U_Gmin, соответствующие всему диапазону температур, находятся в заштрихованной области максимальное значение управляющего напряжения U_GD при котором тиристор не переключается. Так же, как и U_Gmin, не отпирающее напряжение управления определяется для различных температур.

Оно является критерием допустимого уровня помех или остаточного напряжения схемы управления:

−максимально допустимая мощность потерь P_{Gm ,} выделяемая в структуре при длительном протекании тока управления.

Совокупность указанных параметров определяет на диаграмме область надежного включения тиристоров при длительном управлении.

Рисунок 2.10 − Диаграмма управления тиристором

Она расположена между заштрихованной областью и кривой допустимой средней мощности потерь в цепи управления ΔP_G. В диапазоне изменения тока и напряжения управления, соответствующем заштрихованной области диаграммы, включение или не включение тиристоров обусловлено температурой полупроводниковой структуры. Поэтому данная область называется областью возможного (но не гарантированного) включения тиристоров.

Очевидно, что нагрузочная характеристика разрабатываемой системы управления (прямая 3) не должна проходить через заштрихованную область диаграммы.

В схемах тиристорных коммутирующих аппаратов наибольшее применение находит не длительное, а импульсное управление.

Импульсное управление обеспечивает резкое снижение габаритов системы управления, потребляемой мощности, а также способствует улучшению динамических характеристик включения тиристоров. При этом допустимая в импульсе мощность P_Gm повышается по сравнению с допустимой мощностью в цепи управления на постоянном токе. Соотношение между ними в процентах выражается формулой

, (2.9)

где А − длительность импульса управления t_G, выраженная в процентах от периода их следования Т. При частоте изменения тока в силовой цепи 50 Гц Т=20 мс.

Обычно кривые максимально допустимой мощности задаются для значений относительной длительности управляющего импульса, приведенных на диаграмме управления. Следует иметь в виду, что минимально необходимая длительность управляющих импульсов зависит от характера коммутируемой нагрузки. В соответствии с определением параметров I_L, тиристор остается включенным после снятия управляющего сигнала, если ток в анодной цепи его достиг определенного значения.

Если учесть медленный процесс нарастания тока в цепи с большой индуктивностью, это вызывает необходимость в увеличении длительности управляющего сигнала до 200…300 мкс, хотя собственное время включения тиристоров при активной нагрузке не превышает 10 мкс.

2.6 ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Свойства тиристоров при переключении характеризуются динамическими параметрами, которые раскрывают возможности их по быстродействию и по устойчивости к скорости нарастания анодного тока при включении и к скорости приложения напряжения в прямом направлении. Определение временных параметров поясняется на рисунке. 2.11, который иллюстрирует коммутационные процессы в схеме с тиристором при активной нагрузке.

Время включения t_g измеряется промежутком времени от момента подачи управляющего импульса до момента времени, который соответствует снижению анодного напряжения на тиристоре до 10% от первоначального значения (рисунок 2.11, а). Условно время включения можно разделить на две составляющие: время задержки t_gd и время нарастания t_gr, т.е.

t_g = t_gd + t_gr. (2.10)

Времени задержки соответствует промежуток времени, в течение которого анодное напряжение снижается до 90 % от начального значения. В активной цепи за этот промежуток анодный ток нарастает до 10 % от установившегося значения. Время задержки в сильной степени зависит от параметров управляющих сигналов, что видно из приведенных на рисунке 2.12 зависимостей. Уменьшение t_gd с увеличением амплитуды и крутизны фронта управляющего импульса на практике используется для сокращений естественного разброса по времени включения отдельных тиристоров при групповом их соединении. Это, в свою очередь, способствует более равномерному распределению тока и напряжения соответственно по параллельно и последовательно соединенным приборам.

Время нарастания, определяемое промежутком времени, за который анодное напряжение на тиристоре снижается с 90 до 10 % от начального значения, в основном зависит от значения коммутируемого тока - растет с увеличением последнего.

Время выключения t_q (рисунок 2.11, б) характеризует быстродействие тиристора при переключении его из проводящего в запертое состояние. Оно определяется интервалом времени от момента перехода прямого тока через нуль до момента времени, когда тиристор становится способным вновь выдерживать прикладываемое в прямом направлении напряжение с заданной амплитудой и скоростью нарастания.

Величина t_q зависит от ряда факторов: температуры, значения предшествующего коммутации тока, скорости спада прямого тока при подходе к нулевому значению, значений du/dt, амплитуды повторно прикладываемого прямого напряжения и др. Поэтому, приводимые в информационных материалах, относящихся к тиристорам, значения t_q оговариваются условиями, при которых производились измерения. Для неспециальных типов тиристоров, как правило, время выключения измеряется при максимальной рабочей температуре, прямом токе, равном предельному, -di_A/dt=5 А/мкс, U_R=100 В, U_D =0,67U_П и критической скорости нарастания прямого напряжения (в соответствии с группой по du/dt).

Важной составляющей времени выключения является время запаздывания обратного напряжения (t_S, на рисунке 2.11, б). Оно определяется интервалом времени от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током амплитудного значения I_Rm.

Рисунок 2.11 − Временные характеристики тиристора

Процесс восстановления запирающей способности в обратном направлении связан с удалением из базовых областей структуры накопленного к моменту перехода тока через нуль заряда неосновных носителей Q_r.

Взаимосвязь между значением заряда восстановления и временем восстановления запирающих свойств прибора в обратном направлении t_r устанавливается соотношениями:

и tr , (2.11)

где I_Rm − амплитуда выброса обратного тока; di_T/dt − скорость спада прямого тока при подходе его к нулевому значению.

Рисунок 2.12 − Типовые зависимости времени включения

(в относительных единицах) от параметров управляющего

импульса для тиристоров средней мощности

Критические значения (di_T/dt)_crit и (du/dt)_crit определяют соответственно максимально допустимую скорость нарастания прямого тока при включении тиристора и скорость приложения напряжения в прямом направлении.

Воздействие скорости нарастания напряжения du/dt на структуру тиристора вызывает тот же эффект, что и ток управления, − способствует переключению структуры в проводящее состояние при U<U_(BO). Очевидно, что для реальных коммутирующих устройств превышение допустимой величины (du/dt)_crit и может привести к самопроизвольному (аварийному) их включению. В аппаратах переменного тока, где используется встречно-параллельное соединение тиристоров, ограничение du/dt имеет особенно важное значение, так как при каждом коммутационном режиме восстанавливающееся напряжение прикладывается к одному из тиристоров в прямом направлении. Превышение (du/dt)_crit в этом случае приводит к утрате аппаратом способности выключаться.

Необходимость ограничения скорости нарастания прямого тока объясняется тем, что переключение структуры в проводящее состояние происходит не одновременно по всей площади. Сначала включается лишь небольшая область, расположенная в непосредственной близости от управляющего электрода. Протекание через эту область больших токов может вызвать локальный перегрев структуры и ее повреждение. С течением времени включенное состояние структуры распространяется по всей площади со скоростью, примерно равной 0,1 мм/мкс, и ограничения по di_T/dt снимаются.