Влияние температуры на параметры тиристора

Влияние температуры на прямое падение напряжения в открытом состоянии (рисунок 8.49, а) аналогично воздействию температуры на кремниевый выпрямительный диод. Оно определяется температурными зависимостями напряжения на катодном p-n переходе ПЗ и напряжении на промодулированных базах. При малых плотностях тока (j_а ≤ 100 А/см²) доминирует уменьшение прямого падения на p-n переходе (– 2 мВ/К), а на больших плотностях тока доминирующим становится эффект увеличения сопротивления баз за счет рассеяния носителей друг на друге и рекомбинации Оже. Изменение знака ТКН необходимо учитывать при эксплуатации тиристоров, так как оно может привести к шнурованию тока за счет саморазогрева.

Зависимость напряжения включения тиристора от температуры приведена на рисунке 8.49, б. Увеличение напряжения включения до температур 120-140 °С обусловлено ростом напряжения лавинного пробоя центрального перехода U_В2(Т). При шунтировке анодного p-n перехода у тиристоров с обратной проводимостью напряжение включения может возрастать до 180°С. Это обусловлено подавлением коэффициентов передачи тока α₃ и α₁ на малых уровнях инжекции проводимостями шунтов. Ток удержания (выключения) уменьшается с ростом температуры, так как с увеличением температуры возрастают коэффициенты передачи транзисторных секций (рисунок 8.49, в), и условие включения реализуется при меньших значениях анодного тока. Ток спрямления, который определяется величиной тока выключения и коэффициентом передачи тока катодной секции (8.17) также уменьшается с увеличением температуры, но по более сильному закону. Токи прямой и обратной утечек для зашунтированных тиристоров возрастают по экспоненциальному закону аналогично генерационному току в ОПЗ центрального и анодного переходов соответственно. Энергия активации этих токов составляет ~ ΔЕ_g/2 (генерация через глубокие центры).

I_a T₁ < T₂ I_выкл

I_спр I_выкл

1.0

I_спр

U 160°C T Т

a) б) в)

Рисунок 8.49 - ВАХ тиристора в открытом состоянии при двух температурах (а);

зависимость U_вкл(Т) (б); зависимость I_выкл(Т) и I_спр(Т) (в)

t_вкл t_выкл

I_a2 > I_a1

a) Т б) Т

Рисунок 8.50 - Температурные зависимости времени включения (а)

и времени выключения (б)

Время включения тиристора при постоянной амплитуде и длительности управляющего импульса уменьшается с увеличением температуры (рисунок 8.50, а). Такое поведение обусловлено уменьшением критического заряда включения Q_кр(Т) = I_спр(Т)·τ_вкл(Т). Оба компонента I_спр и τ_вкл уменьшаются с ростом температуры, поэтому длительность переходного процесса накопления Q_кр(Т) уменьшается. В противоположность времени включения время выключения возрастает с увеличением температуры (рисунок 8.50, б). Увеличение τ_выкл(Т) обусловлено увеличением времени жизни с ростом температуры и уменьшением тока выключения (8.27).

При больших токах анода (большие коммутационные потери мощности) инерционность тиристора при выключении резко возрастает из-за перегрева структуры в процессе коммутации. Наряду с электронной инерционностью рассасывания избыточного заряда, требуется время на остывание структуры и восстановление блокирующей способности при заданном значении dU/dt.

Максимальное значение скорости нарастания анодного напряжения и минимальное значение динамического напряжения включения уменьшается с увеличением температуры. Такое поведение обусловлено уменьшением критического заряда включения и увеличением тока прямой утечки с ростом температуры. Предельная скорость нарастания анодного тока также уменьшается с ростом температуры, так как уменьшается теплоотдача и усиливается положительная токотемпературная связь, приводящая к шнурованию тока и разрушению прибора.

Во время работы мощного тиристора выделяется тепло, обусловленное рассеянием электрической мощности при различных переходных процессах и условиях установившегося состояния. Эта выделяемая мощность приводит к увеличению температуры кристалла

ΔТ_j = P·R_Th ,

где P – рассеиваемая мощность, R_Th – тепловое сопротивление между кристаллом и охладителем. В этой связи для надежной работы тиристоров необходимо использовать конструкцию прибора, обеспечивающую минимально возможное тепловое сопротивление.

Контрольные вопросы

1. Проведите классификацию приборов на основе р-n-р-n структур и перечислите области основных применений. Ознакомьтесь с условными обозначениями тиристоров.

2. Проанализируйте принцип действия динисторов. Сформулируйте основные требования к структуре динистора.

3. Проанализируйте ВАХ динистора и сформулируйте условия включения и выключения.

4. Почему во включенном состоянии динистора центральный переход смещается в прямое направление?

5. Почему с увеличением тока управления уменьшается напряжение включения тиристора?

6. С какой целью шунтируют катодный переход тиристора?

7. Перечислите статические и динамические параметры тиристора.

8. Перечислите способы включения тиристоров и динисторов.

9. Объясните принцип действия фототиристоров.

10. Проанализируйте работу тиристорного ключа при активной и индуктивной нагрузках.

11. Сформулируйте требования к цепи управления тиристором.

12. Проанализируйте способы выключения тиристоров. Сформулируйте основные условия для выключения тиристоров.

13. Опишите процесс выключения тиристора при изменении полярности питающего напряжения (коммутация анодного тока).

14. Какие особенности в структуре запираемого тиристора по сравнению с обычным тиристором?

15. Какими факторами ограничивается максимальная величина выключаемого анодного тока?

16. Проанализируйте работу запираемых тиристорных ключей на рисунке 8.36.

17. Что представляет собой структура симисторов или триаков? Для каких применений они предназначены?

18. Каким образом осуществляется управление симистором с помощью одного электрода?

19. Перечислите основные ограничения применения симисторов по сравнению с тиристорами?

20. Каким образом повышается устойчивость тиристоров к скорости нарастания анодного напряжения?

21. Объясните работу тиристоров с регенеративным управляющим электродом.

22. В чем заключается эффект в тиристорах? Каким образом повышают устойчивость тиристоров к эффекту ?

23. Как влияет температура на статические и динамические параметры тиристора?