Тепловые режимы работы тиристоров

Лекция 17.

Переходные процессы в тиристорах: эффекты du/dt и di/dt.

Тепловые режимы работы тиристоров

 

Рассмотрим переходный процесс включения тиристора на большие токи (свыше 10—50 А) при активной нагрузке. Тиристоры, включаемые на большие анодные токи, имеют значительную площадь структуры. Такой прибор можно рассматривать как состоящий из многих соединенных па­раллельно приборов (рис. 17.1). В той части структуры, которая расположена ближе к управляющему электроду, напряжение между катодом и управляющим электродом

, (17.1)

в то время как напряжение на остальных частях по мере удаления от управляющего электрода убывает на величи­ну, равную падению на сопротивлениях базы r_Б в радиаль­ном направлении (по оси х), т.е.

. (17.2)

В результате основная доля (I _a1) анодного тока будет протекать вблизи управляющего электрода.

 

 

 

На рис. 17.2 схематически показано распределение тока в приборе боль­шой площади. При подаче управляющего тока электроны инжектируются переходом П _З неоднородно, и чем выше радиальное сопротивление базы, тем неравномернее рас­пределен инжектированный ток по площади прибора. Эта неравномерность включения усиливается часто микронеод­нородностью структуры тиристора и рядом других дополни­тельных эффектов. В результате включение тиристора про­исходит в некоторой области начального включения (ОНВ).

 

 

Далее область включения распространяется с относительно малой скоростью по всей площади структуры. Полное вклю­чение площади структуры происходит не за счет импульса управления, а за счет диффузии и дрейфа носителей от ОНВ В базовые области в радиальном направлении. Площадь ОНВ S ₀ существенно зависит от периметра управляющего электрода и параметров импульса управления. При неко­тором минимальном токе управления ОНВ представляет со­бой точку. Дальнейшее увеличение тока управления приво­дит к расширению ОНВ вдоль периметра управляющего электрода (УЭ), образованию дополнительных проводящих точек у управляющего электрода. При некотором токе управления ОНВ может охватить почти весь периметр УЭ. Типичное значение этого тока управления составляет для большинства отечественных тиристоров 1 - 2 А. Увеличение S ₀ достигается за счет роста периметра УЭ. Однако следу­ет отметить, что для структур с большим периметром УЭ не всегда даже при больших I _у образуется ОНВ по всему периметру. Это объясняется микронеоднородностью пара­метров р-n-p-n- структуры по периметру УЭ. Обычно S ₀ со­ставляет примерно 0,1—0,5 мм². Образование ОНВ проис­ходит относительно быстро. Малые размеры ОНВ приводят к ее разогреву из-за большой плотности энергии — это эф­фект локализации энергии при включении (или эффект di/dt).

В результате переходный процесс включения тиристоров в таких режимах характеризуется изменением уровня инжекции (плотности анодного тока) и температуры струк­туры в широких пределах. Так, вблизи центрального пере­хода р-п-р-п- структуры плотность тока в области началь­ного включения может изменяться в диапазоне 1-100 А/см², а температура от начального уровня может возрастать до температуры, близкой к температуре плавле­ния кремния (~1000°С). Эти изменения влияют на электрофизические парамет­ры р-п-р-п- структуры и, прежде всего, на коэффициенты усиления и транзисторов, составляющих тиристорную структуру.

Переходной процесс включения тиристора по аноду (эффект du/dt). При исследовании процесса включения тиристора по аноду было обнаружено явление, получившее название эф­фекта du/dt. Напряжение переключения U _прк, как оказа­лось, зависит от скорости нарастания напряжения между анодом и катодом: с ростом du/dt напряжение переключе­ния снижается. В большинстве случаев эксплуатации та­кое снижение U _прк под воздействием du/dt, а также вклю­чение тиристора по аноду за счет du/dt недопустимо. Ана­лиз переходного процесса включения тиристора по аноду под воздействием эффекта du/di необходим для оценки по­мехоустойчивости и быстродействия тиристора.

При подаче скачка анодного напряжения Δ U _А с фрон­том t _ф (рис. 17.3) переходы П ₁ и П _З смещаются в прямом направлении, а переход П ₂ - в обратном (рис. 17.4). Элек­троны (зачерненные кружочки) со стороны слоя п -типа у перехода П ₂ начинают перемещаться в направлении анода, оставляя после себя положительные ионы донорной примеси. Подобным же об­разом дырки (не зачерненные кружочки), двигаясь в направлении катода, оставляют нескомпенсированные ионы акцепторной примеси в слое р -типа вблизи П ₂. В результате образуется ОПЗ из доноров и акцепторов. Перемещенный заряд создает избы­точное количество дырок и электронов вблизи переходов П _З и П ₁ соответственно (рис. 17.4). Описанный процесс — это заряд барьерной емкости С центрального (коллекторного) перехода П ₂.

 

 

 

 

Перемещение электронов понижает потенциал слоя n ₁ по отношению к р ₁, что вызывает инжекцию дырок из эмиттерного слоя р ₁ через переход П ₁ в базу п ₁ для восстанов­ления электронейтральности. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу П ₂, где собира­емое их количество зависит от избыточного заряда в базе п ₁. Таким же образом перемещенные дырки повышают по­тенциалы области p ₂ по отношению к области n ₂, вызывая инжекцию электронов переходом П _З.

Инжектированные электроны диффундируют к П ₂ и собираются им в коли­честве, зависящем от избыточного заряда в базе n₂. Элек­троны, собранные П ₂, переходят внутрь п ₁ и заставляют П ₁ инжектировать дырки для соблюдения закона нейтраль­ности базы; аналогично ведут себя дырки, собираемые П ₂, и т. д. Описанный механизм — это процесс самопроизвольного включения тиристора под действием внутренней ПОС, возбуждаемый скачком анодного напряжения. При этом в ба­зы транзисторов,представляющих р-п-р-п- структуру тирисора, поступают импульсы емкостного тока

, (17.3)

где

- интегральная емкость коллекторного перехода.

Таким образом, действие емкостного тока центрального перехода эквивалентно поступлению одинаковых токов уп­равления в обе базы р-п-р-п- структуры тиристора. Отсюда ясно, что основ­ная задача анализа эффекта du/dt сводится к ответу на вопрос: включится ли тиристор под воздействием импульса ем­костного тока при заданных Δ U _А и t _ф (или при заданном dU _А /dt).

Переходной процесс выключения тиристора. Прежде всего рассмотрим выключение тиристора по аноду, когда между анодом и катодом тиристора подается запирающее напряжение. Обсудим кратко причины специфических временных зависимостей напряжения между анодом и катодом тиристора и анодного тока тиристора, которые качественно представлены на рис. 17.5.

 

Для начала отметим, что поскольку процесс выключения связан с рекомбинацией избыточ­ных носителей, то время выключения (t _выкд) будет существен­но зависеть от времени жизни дырок и электронов в р-п-р-п- структуре. В открытом состоянии тиристора все его р-п- переходы находятся в проводящем состоянии - два перехода (П ₁ и П ₃) проводят вследствие их прямого смещения, а переход П ₂ – вследствие электрического пробоя, вызванного управляющим током.

Так как почти все напряжение падает на нагрузочном сопротивлении, падение напря­жения на самом тиристоре мало. Коэффициенты инжекции эмиттерных пере­ходов П ₁, П _З, близки к 1, и поэтому неосновные носители заряда будут только в базовых областях структуры.

Распределение дырок и электронов в открытом состоянии тиристора до момента начала его закрытия обратным анодным напряжением (t < t ₀) показано на рис. 20 жирной линией.

При подаче на тиристор запирающей ЭДС (Е _обр) в момент t ₀ ток че­рез тиристор изменяет свое направление, соответственно происходит инверсия градиентов дырок и электронов в базах вблизи переходов П ₁ - П _З. Амплитуда обратного тока I _обр определяется сопротивлением цепи запирания (коммутации), т.е. I _обр= E _обр /R.

 

 

В интервале времени t ₀- t ₁ концентрация неосновных носителей у перехо­дов достаточно велика и под воздействием градиента концентрации но­сителей начинается диффузия носителей через переходы: обратный ток через переход П ₁ будет чисто дырочным (I_{П 1} = I_{p 1}), ток через П ₃— чисто электронным (I_{П 3} = I_{n 3}), а ток через П ₂ будет состоять из электронной и дырочной составляющих (I_{П 2}= I_{p 2}+ I_{n 2}). Исчезновение избыточного за­ряда электронов Q_n в р- базе происходит за счет их ухода с током I_{n 3} и рекомбинации. Так как Q_n << Q_p, то р- база быстрее теряет заряд избы­точных носителей, чем n-база.

В момент t ₁ избыточная концентрация электронов у перехода П _З уменьшается до нуля, формируется ОПЗ, а переход П _З смещается в об­ратном направлении. В типовой структуре тиристора (см. рис. 6 a) концентрация примесей по обе стороны перехода П _З достаточно высо­кая, поэтому переход П _З пробивается уже при напряжениях в несколько вольт. Обратный ток через структуру уменьшается:

, (17.4)

где U _проб - напряжение пробоя перехода П _З.

В момент t ₂ избыточная концентрация дырок у перехода П ₁ также уменьшается до нуля, вблизи перехода начинается образование ОПЗ, практически все обратное напряжение прикладывается к этому перехо­ду и обратный ток уменьшается до значения обратного тока утечки. За­ряд избыточных дырок Q_p в n- базе к моменту t ₂ изменяется незначи­тельно. На самом деле убыль этого заряда за счет ухода через переход П ₁ и рекомбинацию восполняется инжекцией дырок через прямосмещенный переход П ₂. Так как р- база легирована у тиристоров много больше, чем n-база, то коэффициент инжекции этого перехода также равен 1, т.е. I_{n 2} = 0 и I_{p l}= I_{p 2}; значит, сколько дырок уходит через П ₁, столько же их входит через П ₂ и заряд Q_p за счет обратного тока практически не уменьшается. Поэтому время выключения тиристора t _выкл обычно много больше времени восстановления обратной запирающей способности t _{вос.обр}. Значение t _выкл определяется в основ­ном длительностью восстановления прямой запирающей способности t _вос.пр, т.е. моментом t ₄ когда избыточный заряд в n- базе упадет до некоторого малого значения Q_k, и тиристор при подаче прямого напря­жения не включается.

Таким образом, время выключения тиристора t _выкл ≈ t _вос.пр, т.е. длительность процесса выключения определяется рекомбинацией избы­точных носителей Q_p в n- базе тиристора. С этих позиций процесс вы­ключения тиристора можно считать эквивалентным запиранию насыщен­ного транзистора с толщиной базы ω _Б = ω_n при токе базы, равном нулю, и коэффициентом инжекции эмиттера, равном единице.

Заряд избыточных дырок в n- базе определяется равенством

, (17.5)

где V — объем базы. Заряд дырок убывает после подачи обратной ЭДС за счет рекомбинации свободных носителей согласно равенству

, (17.6)

где τ ₁ — время жизни носителей в базе. Из (17.6) находим, что

, (17.7)

где Q_P (0) —начальный заряд дырок и базе (в момент t ₀),

В момент восстановления прямой запирающей способности тиристора заряд в базе его транзисторной модели уменьшается до некоторого значения Q_К, т. е.

. (17.8)

Начальный заряд Q₀(0) пропорционален прямому току через ти­ристор:

Q_p (0) = k × I _А. (17.9)

Конечный заряд Q_К при медленном нарастании прямого напряже­ния, прикладываемого к аноду тиристора в конце процесса вы­ключения, определяется критическим зарядом, необходимым для вклю­чения тиристора:

. (17.10)

Если скорость нарастания прямого напряжения велика, то необхо­димо учесть дополнительный заряд, поступающий в базу тиристора че­рез емкость центрального перехода С и облегчающий включение тирис­тора. В этом случае выражение для конечного заряда

(17.11)

подставляют в формулу для оценки времени выключения и получают равенство следующего вида:

. (17.12)

Основной особенностью рассмотренного процесса выключения, ха­рактерного для тиристоров средней мощности, является следующее. В ба­зах тиристора к моменту начала выключения достигаются разные уровни инжекции - высокий в широкой n- базе и низкий в узкой р- базе, при этом обратный ток, а значит, и обратное напряжение и его форма не влияют на время восстановления.

При выключении мощных тиристоров необходимо учи­тывать зависимость времени выключения от величины I _обр. Однако количественный учет этой зависимости достаточно сложен. Ход ее зависит как от внутренних электрофизиче­ских параметров структуры, так и от внешних. К внутренним параметрам можно отнести время жизни и коэффициент умножения носителей в области пробоя. Внешними параметрами являются сопротивление цепи коммутации, величина запирающего напря­жения и т.п. Практически при запи­рании тиристоров достаточно большим обратным током I _обр ≈ I _А можно считать, что его влияние сводится к сниже­нию постоянной времени жизни неосновных носителей в ба­зе, т. е. снижению τ₁.

Тогда время выключения

, (17.13)

где по сравнению с (17.12) изменилась только постоянная времени (τ₂ < τ₁).

При расчетах по (17.12) и (17.13) можно полагать, что Q_p (0) = Q_p (t ₀), т.е. можно считать, что прямой ток спадает к нулю мгновенно. В про­тивном случае, когда прямой ток спадает к нулю за конеч­ное время t _сп, расчет времени выключения следует произ­водить с учетом рекомбинации зарядов в базах тиристора за время спада:

. (17.14)

Второе слагаемое в этом выражении дает зависимость времени выключения от длительности спада прямого тока.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: