книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами

Рис. 6. Осциллограмма коммутации тока мощным РВД.

7„ 1- —. соответственно ток в силовой цепи и ток накачки; Uti Ut —< соответственно остаточное напряжение и напряжение накачки; Р — мощность потерь в приборе.

нЪго заряда. Когда длительность задержки увеличи­ вается до 1.5—2 мкс, практически все приборы вы­ ходят из строя при коммутации тока в 2—3 кА вследствие сильной локализации процесса включе­ ния. Для иллюстрации коммутационных возможно­ стей РВД на рис. 6 приведены осциллограммы про­ цесса коммутации в приборе с конструкцией полу­ проводниковой структуры, подобной описанной выше, но имеющей площадь 20 см2 и рабочее напря­ жение 1.5 кВ. Прибор работает в квазидиодном ре­ жиме ((?дя^8*10~3 Кл) и коммутирует очень большой ток (~270 кА) при dl/dt > 7 5 кА/мкс. Остаточное напряжение (кривая Z7X) имеет очень небольшой всплеск на переднем фронте, и квазистационарное состояние устанавливается за ~ 4 мкс, что свидетель­ ствует об одномерном характере включения (у обыч-

ного тиристора этот процесс занял бы 100—150 мкс). Поэтому коммутационные потери па переднем фронте пренебрежимо малы (кривая Р) по сравнению с квазистационарными. Малость этих потерь и их равно­ мерное распределение по площади обусловливают уникальные коммутационные характеристики РВД. Следует отметить еще одну важную особенность — при работе в квазидиодном режиме задержка вклю­ чения после окончания тока пакачки равна пулю. Это обеспечивает строго синхронное включение лю­ бого количества последовательно и параллельно соединенных приборов при работе от одного генера­ тора накачки, т. е. позволяет создать генераторы импульсов практически неограниченной мощности.

Остальные характеристики РВД — соотношение между рабочим напряжением, временем выключения и остаточным напряжением в стационарном включен­ ном состоянии, dUldt — стойкость, температурные зависимости параметров — примерно аналогичны характеристикам""обычных мощных тиристоров.

Малая абсолютная и удельная величины потерь при включении РВД позволяют значительно поднять частотный предел при работе в режиме генерации непрерывных колебаний. Предельная рабочая ча­ стота приборов тиристорного типа ограничивается длительностью наиболее медленного из переходных процессов (процесса выключения) и величиной по­ терь в полупроводниковой структуре. Время выклю­ чения в'принципе может быть весьма малым (единицы микросекунд и менее). При этом, конечно, рабочее напряжение прибора относительно невысо­ кое (300—600 В), но предельная частота, ограничи­ ваемая tt, будет лежать в субмегагерцовом диапа­ зоне. Потери в полупроводниковой структуре скла­ дываются из двух составляющих: коммутационные потери при включении и выключении и квазистати-

ческие потери при прохождении прямого тока. Иа частоте в десятки килогерц в обычном тиристоре коммутационные потери являются преобладающими и именно они ограничивают частотный предел на уровне 10—15 кГц. Однако в РВД, как уже говори­ лось, коммутационные потери при включении очень малы; потери же при выключении практически отсут­ ствуют из-за обрыва обратного тока включаемым последовательно быстродействующим диодом. По­ этому рабочий ток должен слабо зависить от частоты, а частотный предел при соответствующем охлажде­ нии определяется в основном временем выключения.

Иа рис. 7, я, б приведены осциллограммы коммута­ ции тока синусоидальной формы, соответствующей частоте 66'кГц, высокочастотным РВД. Этот прибор имеет рабочую площадь ~ 3 .5 см2, напряжение переключения 800 В и время выключения 4 мкс.

Остальные	параметры		прибора:	wh =	90	мкм,	ря=
=15-|-20	Ом*см,	=	0.8—1	мкс,	=	30	мкм.

Из рис. 7, б видно, что при амплитуде коммутируе­

мого тока /„= 2 0 0 А и длительности тока накачки 0.5 мкс коммутационный всплеск при включении пол­ ностью исчезает при амплитуде накачки / й= 60 А (заряд Qnm2-10~5 Кл), но и при / Й= 30А величина всплеска сравнительно невелика. На рис. 8 показано распределение во времени потерь при коммутации синусоидального тока с /„ =100, 200, 300 А при I R= = 4 0 А. Видно, что коммутационные потери малы по сравнению с квазистатическими. На рис. 9 при­ ведена зависимость средней мощности потерь Рср

от амплитуды коммутируемого тока / т, соответствую­ щая реяшму работы прибора в двухъячейковом гене­ раторе с частотой 66 кГц, т. е. частота следования полусинусоидальных импульсов тока через РВД со­ ставляла 33 кГц, а длительность полусинусоиды

а

Рис. 7. Осциллограммы тока (а) и напряжения (б) на высоко­ частотном РВД.

i, г, 3 соответствуют аццлитуде тока накачки 30, 40 и 60 Д.

Рис. 8. Мощность потерь в высокочастотном РВД при комму­ тации синусоидального тока с амплитудой 100, 200 и 300 А (соответственно 2, 2, 3); ток накачки 40 А.

Рис. 9. Зависимость средних потерь в высокочастотном РВД от амплитуды коммутируемого синусоидального тока.

по основанию равна 7.5 мкс. Из этих данных следует, что в исследуемом приборе при амплитуде синусои­ дального тока 600 А средняя мощность потерь со­ ставляет -—-0.515 кВт. Такая мощность может быть отведена при двухстороннем водяном охлаждении с помощью обычных радиаторов, выпускаемых про­

мышленностью, но		при большом	расходе	воды
(~6	л/мин). Более совершенные радиаторы с кана­
лом	типа «двойная	спираль» позволяют		отвести
такую мощность при расходе воды			около 1 л/мин.

2. Реверсивно-управляемый транзистор

Реверсивно-управляемый транзистор (РУТ) [18, 19] представляет собой транзисторную n +p -N -n +- структуру без электрода управления (рис. 10). Процесс коммутации в РУТ происходит следую­ щим образом. В исходном состоянии внешнее сме­ щение U0 > 0 блокируется обратносмещенным кол­ лекторным р-А-переходом. Перевод во включенное состояние осуществляется, как и в РВД, кратко­ временной переменой полярности (реверсом) внеш­ него смещения. При этом низковольтный /г+-р- эмиттер пробивается, и через структуру протекает импульс тока накачки, создающий в прямосмещенной p-N-п* диодной части прибора три плазменных слоя подобно тому, как это было описано для РВД. Отличием здесь является то, что базовый р-слой транзистора легирован слабее, чем в РВД, и поэтому коэффициент инжекции р-А-перехода ниже. Это приводит к появлению заметного компонента элек­ тронного тока через барьер и образованию концен­ трационной волны электронов $*г в p -базе. После окончания импульса тока накачки на РУТ восста­ навливается первоначальная полярность напряже­ ния. При этом внешнее поле перемещает дырки из

Рис. 10. Полупроводниковая структура РУТ (а) и зонная диаграмма при нулевом смещении (6).

1 —<коллекторный электрод (анод); 2 —•протяженная область коллек­ тора; 3 —1 эмитторный электрод (катод).

плазменных слоев в р-базу, что приводит к пони­ жению потенциального барьера « +-р-эмиттера и инжекции электронов. Через прибор протекает элек­ тронный ток JF д о тех пор, пока избыточные дырки из плазменных слоев прорекомбинируют в р-базе с проходящими электронами, после чего ток обры­ вается. Таким образом, в отличие от РВД РУТ формирует не только передний, но и задний фронт коммутируемого импульса тока (рис. 11) подобно обычному транзистору. Роль истояника тока управ­ ления здесь играет плазменный слой, созданный током накачки JR равномерно по всей , площади прибора. Важнейшей характеристикой РУТ яв­ ляется коэффициент усиления по заряду:

f h it	QF
p Rd t ~	Q n’	(1)

Рис. 11. Осциллограмма тока через РУТ при коммутации (а) и условное разбиение процесса коммутации (б).

РУ —. фаза реверсивного управлении; ВПП —>фаза высокой прямой проводимости; ОТ — фаза ограничения тока.

представляющий собой отношение заряда, прошед­ шего в силовой цепи, к заряду, прошедшему через цепь накачки.

Следуя [20], рассмотрим физические процессы, происходящие в РУТ при коммутации больших токов. При этом будем ограничиваться приборами с геометрическими и электрофизическими парамет­ рами слоев, характерными для мощных транзисто­

ров с рабочим напряжением до 1 кВ, у которых толщина коллектора wn^ . 2-10“2 см, время жизни

дырок в нем	^ М О ' 5 с и L=\/Z)xp ^ wn.		Есте­
ственно, длительность At импульса		силового	тока
Jr и тока пакачки JR должна быть		меньше	во

избежание потери заряда вследствие рекомбинации. При Д£=(1—5)«10“° с характерная длина диффузии L = \ jD A ttt (3—7)*10~3 см, т. е. значительная часть коллекторного слоя не успевает заполниться диффу­ зионной плазмой высокой плотности, и определяю­ щим механизмом переноса является биполярный дрейф плазмы в поле, созданном протекающим током. Процесс пакачки в этих условиях уже рас­ сматривался для РВД; все полученные соотношения справедливы и для РУТ, если принять равными единице коэффициенты инжекции переходов диод­ ной р-7У'-тг+-частп структуры. Особенности, связан­ ные с отклонением от этого допущения, будут рас­ смотрены позже. После окончания процесса накачки

происходит изменение знака		смещения на		приборе
в момент времени	t= tn , и	через	прибор	начинает
протекать прямой ток JF. При этом меняются функ­
ции диффузионных	плазменных		слоев	и

Теперь роль плазменного анода выполняет слой (рис. 12). Изменение направления поля вызывает формирование амбиполярной дрейфовой волны S/ за счет инжекции дырок плазменным слоем

При этом волна S r, занимавшая при накачке весь

интервал между слоями S i			и	отступает к катод­
ному слою S 1. В	течение		фазы	высокой прямой
проводимости (ВПП) происходит				последовательное
истощение слоев <#°2»		^ р	плазменного резер­
вуара коллектора	и	затем,	в последнюю очередь,

и слоя S p в p -базе, что соответствует уже фазе спада прямого тока.

Рис. 12. Динамика плазменных слоев в РУТ при протекании силового импульса.

а —>эквивалентная схема; б —. форма профиля дрейфовых и диффузион­ ных концентрационных волн.

Баланс заряда дырок в процессе истощения слоя 2, инжекция из которого формирует плазменную

волну	описывается выражением:
	1

Q2 ( t > t R ) — ^2 (/-/д) “ ь + 1 ^ (О-

(2)