Эффекты dI/dt и dU/dt в тиристорах

Эффект dI/dt

Этот эффект связан с двумерным характером включения по площади тиристорной структуры. Если скорость нарастания анодного тока dI/dt велика, то вся энергия выделяется в области первоначального включения, и тиристор может быть поврежден в результате локального увеличения температуры.

Рисунок 8.44 - Временные диаграммы анодного тока, напряжения и мощности (а);

распределение плотности анодного тока (б) и область первоначального

включения тиристора (в)

При включении тиристора по управляющему электроду первоначально включается область катода, прилегающая к управляющему электроду (рисунок 8.44), которая носит название – область первоначального включения (ОПВ). Основной причиной неоднородного распределения анодного тока является неоднородность поперечной плотности тока управления под катодом, обусловленная падением напряжения на омическом сопротивлении p-базы (рисунок 8.44, б) аналогично эффекту «оттеснения» эмиттерного тока в биполярном транзисторе. Область катода, где плотность анодного тока превышает плотность тока включения (рисунок 8.44, в), является областью первоначального включения. При дальнейшем прохождении анодного тока ОПВ распространяется вглубь катода под действием диффузионно-дрейфового механизма, и через время распространения плазмы включается вся площадь катода. Скорость распространения ОПВ увеличивается с ростом температуры и уменьшается с уменьшением времени жизни носителей в n-базе и увеличением ее толщины и коэффициента шунтирования катодного перехода. Обычно скорость распространения ОПВ не превышает 10⁴ см/с, что и приводит к большой длительности третьей фазы включения тиристора. Выделение мощности в ОПВ приводит к повышению локальной температуры, которая, в свою очередь, может вызвать повышение локальной плотности тока. В случае если скорость распространения ОПВ, снижающая плотность выделяемой мощности, будет ниже скорости нарастания температуры за счет термогенерации носителей заряда, то возможен вход в тепловую форму вторичного пробоя, сопровождающегося стягиванием тока в шнур и разрушением прибора. Выделяемая локальная плотность мощности возрастает с увеличением скорости нарастания анодного тока. По этой причине и вводится предельное значение dI/dt на режимы эксплуатации тиристоров.

Рисунок 8.46 - Структура тиристора с центральным регенеративным электродом

Для повышения устойчивости тиристоров к эффекту dI/dt необходимо использовать полосковую топологию катода, ширина элементов которой не превышает двух ширин ОПВ при заданном токе управления. Однако в этом случае усложняются вопросы обеспечения контактов к катоду для тиристоров большой мощности и больших токов управления.

Наиболее распространенным способом повышения перегрузочной способности является введение в структуру тиристора регенеративного усилительного электрода (рисунок 8.45).

Схема регенеративного управляющего электрода показана на рисунке 8.45. Прибор состоит из вспомогательного или управляющего тиристора 1, соединенного общим анодом с основным тиристором 2. Катод вспомогательного тиристора связан с управляющим электродом основного тиристора через сопротивление. При включении электрода ток управления прикладывается к вспомогательному тиристору, и он включается. Ток нагрузки течет в цепь управления основного тиристора и включает последний более мощным током.

Описанный принцип включения прибора используется при центральной (рисунок 8.46) или кольцевой конструкции регенеративного управляющего электрода.

Кольцевой и разветвленный регенеративные электроды широко используются в структурах быстродействующих тиристоров, которые имеют низкие потери при включении, быстрое включение и высокую стойкость к эффекту dI/dt вплоть до 10³ А/мкс. Следует отметить, что симисторы не имеют возможности использовать регенеративный электрод. По этой причине их устойчивость к скорости нарастания анодного тока, а следовательно, быстродействие, значительно ниже.

В определенных случаях для защиты тиристоров от эффекта dI/dt последовательно в цепь нагрузки включают индуктивность для уменьшения скорости нарастания анодного тока.

Эффект dU/dt

Ранее при рассмотрении процессов включения динисторов по аноду отмечалось влияние скорости нарастания анодного напряжения на уменьшение динамического напряжения включения. Причиной снижения динамического напряжения включения является емкостной ток центрального перехода П2, который одновременно является внутренним управляющим током по обеим базам. Влиянием емкостных токов переходов П1 и П3 можно пренебречь, так как ΔU₁ ≈ ΔU₃ ≈ 0.2 В и . В закрытом состоянии все напряжение анода блокируется центральным переходом П2. В большинстве случаев применения такое снижение U_вкл под действием dU/dt, а также включение тиристора по аноду за счет dU/dt недопустимо.

Рассмотрим качественно на основе модели управляемого заряда изменение динамического напряжения включения при воздействии эффекта dU/dt. Для включения тиристора в зарядовой модели необходимым условием является достижение накопленным зарядом в базе величины Q_кр – критического заряда включения

Q_кр = I_спр(t)·τ_вкл , (8.29)

где τ_вкл – постоянная времени процесса включения при экспоненциальном характере нарастания анодного тока.

Как уже указывалось выше, емкостной ток центрального p-n перехода играет роль внутреннего тока управления. Поэтому при достижении им величины тока спрямления тиристор включается. Используя зависимость динамического тока спрямления от длительности воздействующего импульса (8.21), получим:

.

При больших скоростях нарастания анодного напряжения t_Φ << τ_вкл , поэтому разложив экспоненту в ряд, получим:

U_а.min= I_спр.ст·τ_вкл/С₂ . (8.30)

Таким образом, если амплитуда импульса анодного напряжения не превысит значения (8.30), то при любых значениях dU/dt тиристор не включится, так как не успевает накопиться критический заряд включения. Для мощных быстродействующих тиристоров со значением параметров: I_спр.ст = 10^–1 А; τ_вкл ≈ 10^–6 с; С₂ = 2·10^–10 Ф – величина минимального динамического напряжения включения составляет порядка 500 В. Поэтому использование высоковольтных тиристоров в относительно низковольтных схемах позволяет отказаться от схемной защиты от эффекта dU/dt. В более высоковольтных режимах зависимость динамического напряжения включения от величины dU/dt может быть оценена из (8.16):

U_{вкл.дин.}= U_вкл.0[1 - k·α₃₀·C₂· dU/dt]^1/n . (8.31)

Выражение (8.31) справедливо до значений U_вкл.min (8.30).

R_ш2<R_ш1

1.0

0.5

10^-1

5·10^-2 U_вкл.min

10 10² 10³ dU/dt

Рисунок 8.48 - Защита шунтирующей RC-цепью от эффекта dU/dt

Рисунок 8.47 - Уменьшение динамического

напряжения включения с ростом dU/dt

Характер уменьшения динамического напряжения включения от скорости нарастания анодного напряжения приведен на рисунке 8.47.

Увеличение плотности шунтирования катодного p-n перехода приводит к увеличению стойкости к эффекту dU/dt, а также увеличению минимального динамического напряжения включения.

Для снижения чрезмерной скорости нарастания анодного напряжения можно использовать схему защиты, изображенную на рисунке 8.48. Постоянная времени цепи заряда емкости С_ш должна выбираться из условия

(R_H + R)·C_ш ≥ τ ,

где τ – минимальная постоянная времени экспоненциально нарастающего прямого напряжения, допустимая для данного тиристора. Резистор R обеспечивает ограничение тока разряда конденсатора (значение dI/dt) при включении тиристора.