книги / Силовые полупроводниковые приборы

сутствии вследствие этого механических разрушений остается работо­ способной после остывания до рабочей температуры. Для оценки воз­ можности воздействия аварийных токов на полупроводниковый прибор без последующего воздействия напряжения используется зна­ чение ударного прямого тока (тока в открытом состоянии). При оцен­ ке обеспечения защитных свойств преобразователя необходимо, чтобы приведенное в нормативной документации значение этого параметра было большим, чем расчетное значение ударного тока при коротком замыкании в ветвях, содержащих выбранный полупроводниковый прибор.

При использовании в качестве защитных устройств плавких предо­ хранителей необходимо, чтобы J i2 dt предохранителя был не больше, чем защитный показатель J i2 dt полупроводникового прибора. При возникновении аварийных режимов в схемах с защитой с временем срабатывания в несколько периодов наряду с импульсами сверхтока в промежутках между ними к прибору прикладывается обратное на­ пряжение. В этом случае должна использоваться зависимость макси­ мально допустимой амплитуды тока аварийной перегрузки от ее дли­ тельности в интервале от 10 до 2 0 0 мс с последующим приложением обратного напряжения, равного 80% повторяющегося импульсного обратного напряжения. Эти зависимости приводятся, как правило, для начальных значений температуры перехода 20 ± 5 °С и максимально допустимой. При выборе защиты необходимо, чтобы эти зависимости лежали выше ампер-секундной характеристики защитного устройства в диапазоне от минимально до максимально возможного времени срабатывания.

Необходимо заметить, что при воздействии вышеуказанных пере­ грузок допускается превышение температуры перехода над максималь­ но допустимым значением, поэтому перегрузки допускаются ограни­ ченное число раз за время срока службы прибора как результат необычных, например аварийных, режимов работы преобразователей.

Обычно токовая нагрузка силовых полупроводниковых приборов при нормальном режиме работы преобразователя выбирается меньше допустимой, что позволяет повысить надежность, срок службы и обес­ печить уверенную работу схемы. При этом температура перехода по­ лупроводниковых приборов ниже максимально допустимого значения, т. е. может быть допущена определенная токовая перегрузка сверх номинальной в течение определенного времени, за которое температу­ ра перехода достигнет максимально допустимого значения. Для оцен­ ки допустимых перегрузок в этом случае в справочных данных приво­ дятся зависимости максимально допустимой амплитуды тока рабочей перегрузки от длительности при различных предварительных токовых нагрузках. Естественно, если прибор в нормальном режиме преобразо­ вателя загружен предельно, то рабочие перегрузки недопустимы.

Рабочие перегрузочные характеристики используются в случаях, когда, например, при работе преобразователя имеют место пусковые режимы (электропривод); кратковременные подключения дополни­ тельных потребителей и др.

Поскольку режимы работы приборов весьма многообразны, не­ возможно привести какую-либо универсальную характеристику, отве­

51

(diTldt)crit:

ITл vm ~ предельный ток

чающую всем необходимым требованиям в отношении предвари­ тельных условий, видов перегрузки, способов охлаждения и др. В § 4.4 приведены расчетные соотношения, позволяющие рассчитать рабочие перегрузочные характеристики для различных режимов.

3.7.КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ ТОКА

ВОТКРЫТОМ СОСТОЯНИИ

Включение управляемого полупроводникового прибора при нали­ чии управляющего сигнала происходит не сразу. Процесс распростра­ нения проводящей зоны начинается вблизи управляющего электрода и идет со скоростью 30—100 м/с. При этом на небольшом участке структуры выделяется значительная мощность, что может привести к разогреву этого участка до температуры, превышающей точку пла­ вления кремния (1412 °С), и прибор выйдет из строя. Поэтому каждый прибор характеризует критическая скорость нарастания тока в откры­

том состоянии, значение кото­ рой не должно превышаться при эксплуатации.

Разбраковка приборов по (idiT/dt)crii производится путем пропускания через них импуль­ сов тока с амплитудой, равной двойному значению предельно­ го тока, и с заданной ско­ ростью нарастания (рис. 3.18). Крутизна нарастания тока рас­ считывается по формуле

Рис. 3.18. К определению термина

dir/dt = ITAVJIT .

(3.4)

Прибор считается выдер­ жавшим испытание, если не про­ изошло параметрического отка­ за.

Определение (di-jjdt)aU связано с риском повреждения прибора. По­ этому, как правило, предприятия-изготовители устанавливают гаран­ тированные значения (dij/dt)аН, которые равны минимальному значе­ нию, полученному в процессе испытаний нескольких партий приборов данного типа.

3.8. ЭФФЕКТИВНАЯ ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЕРЕХОДА

Электрические параметры силовых полупроводниковых приборов, как правило, зависят от температуры перехода. Если температура пре­ вышает определенное значение, то снижается класс прибора, возра­ стают токи утечки и времена выключения, уменьшается значение кри­ тической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, снижается помехоустойчивость и да. Поэтому контроль температуры

52

перехода дает точное представление о возможности работы прибора в заданном режиме.

Ввиду невозможности непосредственного контроля температуры перехода в процессе эксплуатации используются косвенные методы, основанные, как правило, на температурной зависимости какого-либо параметра. Такие методы обычно не дают возможности определить температуру в «горячих» точках структуры, возникающих на опреде­ ленных участках площади структуры из-за разброса электрофизиче­ ских параметров или дефектов конструкции, вызывающих либо раз­ брос по плотности тока, либо неоднородный теплоотвод от отдельных участков перехода. Поэтому измеренная известными методами темпе­ ратура является усредненной (эффективной) температурой перехода. Таким образом, эффективная эквивалентная температура перехода не обязательно является самой высокой температурой полупроводнико­ вой структуры.

Имеются два предельных значения температуры перехода: макси­ мально допустимое и минимально допустимое.

Максимально допустимая температура перехода —это температу­ ра, которая не должна превышаться в длительных режимах эксплуата­ ции (при установившемся тепловом режиме).

Минимально допустимая температура перехода определяет пре­ дел, ниже которого не допускается не только работа прибора, но и его хранение. Используемые в конструкциях силовых полу­ проводниковых приборов материалы неоднородны и имеют различ­ ные температурные коэффициенты линейного расширения. Хотя в качестве термокомпенсаторов применяются материалы с темпера­ турным коэффициентом расширения, близким к температурному коэффициенту кремния (вольфрам, молибден), тем не менее при низких температурах могут возникать значительные изгибающие усилия, разрушающие кремний. Для отечественных силовых полу­ проводниковых приборов минимально допустимая температура пе­ рехода равна —(50—60) °С.

Что же касается верхнего предела максимально допустимой тем­ пературы, то он различен для приборов в зависимости от их вида и конструкции. Конкретные значения максимально и минимально до­ пустимых температур приводятся в справочных данных для каждого типа прибора.

Эффективная эквивалентная температура перехода в установив­ шемся тепловом режиме может быть определена с достаточной для

инженерных расчетов точностью по следующим формулам:
Т] = Тс + Р,0,Rtkjc;	(3.5а)
Tj = Ta + PtotRlkja,	(3.56)

где Тс - температура корпуса; Т„ —температура охлаждающей среды; Р,а —суммарная мощность потерь; RthJc —тепловое сопротивление переход - корпус; Rthja —тепловое сопротивление переход - среда.

Расчет мощности потерь производится по формулам, приве­ денным в следующем параграфе.

53

3.9.ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИБОРОВ

ВСОСТОЯНИИ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Количественная характеристика состояния высокой проводимости диода определяется зависимостью

uF = U(T0) + iFrTf

(3.6а)

где uF— прямое напряжение на диоде; U(jo) ~ пороговое напряжение; rT—ctg ср —дифференциальное сопротивление (см. рнс. 3.2);

ip —мгновенное значение прямого тока.

Соответственно для тиристора в открытом состоянии

Uf= Uf^TO)Jr W T -

(3.66)

На рис. 3.19 приведены прямая характеристика диода (а), характе­ ристики открытого состояния тиристора (б) и симметричного тиристо­ ра (в).

Основным параметром, характеризующим состояние высокой проводимости, является импульсное прямое напряжение Uрм для дио­ да и импульсное напряжение в открытом состоянии Uрм для тиристо­ ра. Измерение этого параметра производится при температуре перехо­ да 20 + 5 °С при 3,14 максимально допустимого среднего тока при заданной температуре корпуса для диодов и тиристоров и при 1,41 значения максимально допустимого действующего тока при заданной температуре корпуса для симметричного тиристора. ПрЗг этом значе­ ние UfM для симметричного тиристора принимается равным больше­ му из значений этого параметра, измеренного в обоих направлениях.

В области рабочих токов характеристика состояния высокой про­ водимости может быть аппроксимирована прямой линией, проходя­ щей через точки, соответствующие 1,57 и 4,71 предельного тока для диодов и тиристоров и 0,7 и 2,1 предельного тока для симметричного

					*М1
					1/Мтим$т	н
					°>7ITRMSm	Л к * -
				Отмг, ^тСго)г
				I
	,	Ц’СгО) ^тм	цт	s	см^	UT(T0)1 ^ТМ1 UM1
						°>7-rTRMSm
Рис. 3.19. Параметры приборов в состоянии						W^TRMSm
высокой проводимости:					1	2>^TRMSm
Uто, Ui\TO) — пороговое	напряжение; ctg <р =			») г ;;
— г р — дифференциальное	сопротивление;
~ импульсное прямое напряжение (импульсное напряжение в откры­
	том	состоянии)

54

тиристора (рис. 3.19). Отрезок, отсекаеемый этой линией на оси абсцисс, численно равен пороговому напряже­

нию 1/(7-о) W Т(То))> а котангенс угла, под которым эта линия пересекает ось абсцисс, есть дифференциальное сопро­ тивление Tj. Эти параметры приво­ дятся в справочных данных, причем необходимо иметь в виду, что они характеризуют состояние высокой про­ водимости при максимально допусти­ мой температуре перехода.

Пороговое напряжение и диффе­ ренциальное сопротивление позволяют рассчитать среднюю мощность потерь, значение которой определяет нагрев структуры прибора при заданном сред­ нем токе.

Для диода

Рис. 3.20. Прямые характеристики диода при различных температу­ рах:

Tji > Tj2 > Tji4, А ~ точка инвер­ сии

	PF = UiT0)lFAv+ к\гт1грАУ-	(3.7а)
Для	тиристора
	Рт= UT(Tof TAV~t~ ky-pljAV-	(3.76)
Для	симметричного тиристора
	Рт= 0,9Uт(ТО) ITRMS + rT^TRMS-	(3.7в)

Пороговое напряжение почти не зависит от конструктивных осо­ бенностей прибора (при комнатной температуре его значение соста­ вляет около 1 В), а дифференциальное сопротивление прямо пропор­ ционально толщине кремниевой структуры и обратно пропорциональ­ но ее площади [2]. По мере возрастания температуры пороговое напряжение имеет тенденцию к уменьшению, а дифференциальное со­ противление —к возрастанию. Если снять семейство характеристик высокой проводимости для одного и того же прибора при разных тем­ пературах перехода, то они будут иметь точку инверсии (рис. 3.20), в которой температурный коэффициент напряжения равен нулю.

3.10. ОБРАТНЫЙ ТОК И ТОК В ЗАКРЫТОМ СОСТОЯНИИ

При приложении к прибору обратного напряжения или напряже­ ния в закрытом состоянии при отсутствии управляющего сигнала че­ рез прибор протекает ток, значение которого зависит от дефектов структуры в объеме и на поверхности, а также ток, обусловленный ре­ комбинацией и искусственной омической шунтировкой, используемой как метод улучшения отдельных параметров прибора. При большом напряжении этот ток может возрасти до значений, при которых мощ-

55

носгь, выделяемая на отдельных участках структуры прибора, приво­ дит к значительному перегреву, и прибор становится неработоспо­ собным.

Критерием, определяющим работоспособность прибора, т. е. спо­ собность выдерживать напряжение, определяемое для данного прибо­ ра в соответствии с маркировкой по классу, является повторяющийся импульсный обратный ток (повторяющийся импульсный ток в закры­ том состоянии). Регламентируемое значение этого параметра приво­ дится в технических условиях и справочных данных при максимально допустимой температуре перехода. Прибор считается годным, если при приложении к нему повторяющегося напряжения значение повто­ ряющегося импульсного обратного тока или повторяющегося им­ пульсного тока в закрытом состоянии не превышает регламентируемо­ го значения. Следует заметить, что на практике, как правило, измеренные значения этого параметра ниже нормируемых, что объяс­ няется отбраковкой приборов на предприягиях-изготовителях по это­ му параметру по его верхней границе. Классификация приборов по на­ пряжению производится обычно при ступенчатом или плавном нарастании напряжения, источник которого автоматически отключает­ ся при достижении обратным током (током в закрытом состоянии) определенного значения тока уставки защиты испытательного устрой­ ства. В момент срабатывания защиты (либо в некоторых случаях в мо­ мент загиба характеристики, наблюдаемого с помощью осциллоскопа) фиксируется значение напряжения, которое затем пересчитывается в напряжение класса путем умножения на коэффициент к < 1, устана­ вливаемый заводом-изготовнтелем. Если при этом напряжении изме­ рять обратный ток (ток в закрытом состоянии), то его значения будут различными для приборов одного типа в зависимости от вида вольтамперной характеристики, но меньше максимально допустимого зна­ чения.

Обратный ток, как и ток в закрытом состоянии, является одним из основных параметров-критериев годности силовых полупроводни­ ковых приборов. Периодически контролируя этот параметр в процессе эксплуатации, можно заранее выявить ненадежные приборы (с возрос­ шим значением обратного тока и тока в закрытом состоянии) и тем самым предупредить отказ преобразовательного устройства.

3.11. ТОКИ УДЕРЖАНИЯ И ВКЛЮЧЕНИЯ

Если тиристор находится в открытом состоянии и через него про­ текает постоянный ток при отсутствии управляющего сигнала, то при плавном снижении этого тока наступает момент, когда тиристор пере­ ходит в закрытое состояние. На рис. 3.4 значение этого тока характе­ ризуется отрезком 7, а на рис. 3.7—отрезком 5. Эти значения соответ­ ствуют току удержания.

При широком диапазоне токовой нагрузки преобразователя необ­ ходимо учитывать значение тока удержания, поскольку преобразова­ тель может самопроизвольно выключиться при снижении тока нагруз­ ки до уровня тока удержания. Кроме того, необходимо иметь в виду, что ток удержания возрастает с уменьшением температуры. В спра­

56

«ток включении»:

/щ < lG2 < tGз: IG T — отпирающий ток управления; 1ц —ток удержания

вочных данных наряду с максималь­ но возможным значением тока удержания 1Н при 20 ± 5 °С при­ водится температурная зависимость этого параметра для всего диапа­ зона рабочих температур.

При включении тиристора уп­ равляющим импульсом определен­ ной амплитуды и длительности при­ бор включается только тогда, ког­

да ток в открытом состоянии пре­ Рве. 3.21. К определенно термина

высит определенное значение, назы­ ваемое током включения IL и при­ водимое в справочных данных. Если ток в открытом состоянии станет меньше этого значения, прибор мо­

жет перейти обратно в закрытое состояние после прохождения упра­ вляющего импульса. Ток включения зависит от амплитуды и длитель­ ности импульса управления. Он уменьшается при возрастании Тока управления и увеличении длительности импульса. Зависимости тока включения от амплитуды и длительности управляющего импульса, приводимые в справочных данных, имеют вид, показанных на рис. 3.21.

При достаточно больших амплитуде и длительности управляюще­ го импульса ток включения становится равным току удержания. На­ оборот, при коротких импульсах (менее 50 мкс) и при амплитуде тока управления, близкой к отпирающему току, значение тока включения

внесколько раз может превышать ток удержания.

3.12.ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ВКЛЮЧЕНИЯ И ВЫКЛЮЧЕНИЯ. ЗАРЯД ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Как уже было сказано в § 3.7, процесс включения происходит не сразу, а в течение определенного отрезка времени, характеризуемого как время включения. Диаграммы токов и напряжений при включении показаны на рис. 3.5.

Время включения tg, состоит из времени задержки и* и времени

нарастания tgr
	= ‘„а+ V		(3.8)
Время задержки lgd В основном зависит от амплитуды тока упра­
вляющего импульса и длительности		его фронта.
Время нарастания	зависит от	амплитуды тока в открытом со­

стоянии, увеличиваясь с ее возрастанием.

Зависимости времени задержки и времени включения от тока управления и скорости его нарастания, а также зависимость времени нарастания от тока в открытом состоянии приводятся в справочных данных.

57

Нормируемые значения времени задержки и времени включения для приборов данного типа устанавливаются при 20 + 5 °С, поскольку значения этих параметров практически не зависят от температуры.

Следует заметить, что время задержки в значительной мере зави­ сит от напряжения в закрытом состоянии. Практика показывает, что при возрастании напряжения в закрытом состоянии от 100 В до поло­ вины максимального значения время задержки уменьшается в 3 —5 раз.

Время включения для приборов одного и того же типа не одина­ ково. Как правило, в информационных материалах указывается макси­ мально возможное значение этого параметра. Разброс у при группо­ вом соединении приборов приводит к значительным перегрузкам от­ дельных приборов по току (при параллельном соединении) или напря­ жению (при последовательном соединении). С целью уменьшения это­ го разброса необходимо осуществлять управление приборами с помощью импульсов с возможно коротким фронтом и большой ам­ плитудой тока управления. Из практики эксплуатации мощных пре­ образователей скорость нарастания тока управления должна быть не менее 1 А/мкс, амплитуда тока —не менее 1 А.

В некоторых схемах преобразователей (инверторы, импульсные модуляторы, преобразователи частоты и др.) требуется, чтобы тири­ стор мог воспринимать на себя напряжение в закрытом состоянии че­ рез ограниченный промежуток времени после момента прекращения тока в открытом состоянии. Это время должно быть больше времени выключения тиристора, в противном случае тиристор будет отпирать­ ся при отсутствии управляющего сигнала. Поэтому время выключения является одним из основных параметров тиристора.

Характер изменения тока и напряжения на тиристоре в процессе выключения показан на рис. 3.6.

Время выключения увеличивается с возрастанием тока в откры­ том состоянии, скорости его спада, температуры перехода, амплитуды и скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии и умень­ шается с ростом обратного напряжения [7, 14, 20]. Эти зависимости приводятся в справочных данных.

В процессе выключения силовые полупроводниковые приборы не сразу восстанавливают запирающие свойства в обратном направлении. Если прибор переводится в непроводящее состояние под действием обратного напряжения, то в течение определенного времени обратный ток возрастает до значения, значительно превышающего статический обратный ток, и в течение этого времени прибор неспособен восприни­ мать обратное напряжение.

Процесс обратного восстановления условно можно разделить на два этапа: до момента достижения обратным током максимального значения и далее до установления статического обратного тока (см. рис. 3.3). В соответствии с этим время обратного восстановления t„ со­ стоит из времени запаздывания обратного напряжения ts и времени спада обратного тока ty, а заряд восстановления Q„ —из заряда за­ паздывания <2, и остаточного заряда Q/-

Врямя обратного восстановления и заряд восстановления при не­ значительном сопротивлении цепи коммутации связаны между собой

58

соотношениями
	IRRM = V 2Qrr(~ dij/dt);		(3.9)
	-	di-j/dt'	(З.Ю)
где IRRM и	- dij/dt —амплитуда	обратного	тока и скорость его
изменения,	-v

Время обратного восстановления определяет частотный диапазон работы прибора.

Кроме того, разброс значений времени обратного восстановления при последовательном соединении приборов может служить крите­ рием при оценке возможности работы ЛС-цепочки при высоких уровнях загрузки приборов по напряжению.

Заряд восстановления позволяет произвести расчет ДС-цепочек, применяющихся для исключения перенапряжений на отдельных прибо­ рах при их последовательном соединении.

3.13.КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

ВЗАКРЫТОМ СОСТОЯНИИ

При приложении к тиристору напряжения в закрытом состоянии ио с большей скоростью его нарастания через прибор начинает проте­ кать емкостный ток [2]

ic * С	dup/dt,	(3.11)
где С —емкость центрального р-п	перехода.

Значение этого тока возрастает с увеличением С и скорости нара­ стания напряжения. Протекание емкостного тока сопровождается ин­ жекцией неосновных носителей крайними переходами, как и в случае протекания тока управления. Таким образом, создаются предпосылки для включения тиристора при отсутствии управляющего сигнала. Ско­ рость нарастания напряжения в закрытом состоянии, при которой про­ исходит переключение прибора из закрытого в открытое состояние, называется критической (dup/dt)cnt.

Напряжение переключения 1/(во) при воздействии dup/dt зависит от dug/dt и температуры перехода, уменьшаясь с их ростом. Такие за­ висимости приводятся в справочных данных (рис. 3.22).

Классификаций’ приборов по (dujjdt)crll производится следующим образом. На прибор, нагретый до максимально допустимойтемпера­ туры, при разомкнутой цепи управляющего электрода подаются им­ пульсы напряжения в закрытом состоянии с линейным фронтом (рис. 3.23). Амплитуда импульсов напряжения должна быть равной 0,67 повторяющегося импульсного напряжения. Скорость нарастания на­ пряжения равна 0,67 UDRM/Т Достижение критического значения duD/dt фиксируется в момент резкого снижения напряжения U&

Значение (d u p / d t уменьшается с ростом напряжения в закрытом состоянии и температуры перехода.

При проектировании преобразователей необходимо учитывать это

59

%))МвО)т	Гх
0,6	\	'
		\
о,ч
		\
по	WOdUn/tttjymc
10

Рис. 3.22. Зависимость напряжении переключения Щво) от скорости нарастания

напряжения в закрытом		состоянии d u o jd f
ЩвО)т ~ напряжение переключения	при	синусоидальном	напряжении;
----------- 7} = 20 ± 5	“С	; ---------Tj = Т]т

Рис. 3.23. К оиределению термина (dup/dt)cr,,

UDR M г- повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

явление переключения, выбирая тиристоры с соответствующей груп­ пой по (duo/dt)m( (см. § 1.2).

Для симметричных тиристоров одним из важнейших параметров является критическая скорость нарастания коммутационного напря­ жения (duoldt)com. Он должен учитываться при работе симметричных ти­ ристоров в режиме, когда после прохождения тока в одном из направле­ ний в противоположном направлении прикладывается напряжение в за­ крытом состоянии, которое может переключить прибор при большой скорости нарастания напряжения. Диаграммы тока и напряжения для этого режима показаны на рис. 3.8.

Значение (dU[Jdt)cl>m уменьшается с ростом тока в открытом со­ стоянии, скорости его спада, температуры перехода, амплитуды напря­ жения в закрытом состоянии. Все эти зависимости приводятся в спра­ вочных данных на симметричные тиристоры.

3.14. ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Тепловые потери, возникающие при прохождении тока через полу­ проводниковый прибор, выделяются в основном в небольшом объеме полупроводниковой структуры. Отсюда тепловой поток проходит че­ рез ряд слоев различных материалов, из которых изготавливаются термокомпенсаторы (вольфрам, молибден), прокладки (серебро, олово), основание, охладитель, и отводится в окружающую среду. Каждый из этих слоев оказывает сопротивление распространению теплового пото­ ка, вследствие чего создается перепад температур между структурой и каждым из слоев. Рассматривая путь теплового потока через от­ дельные в конструктивном отношении элементы, можно говорить о тепловых сопротивлениях участков;

переход —корпус прибора Rth,c',

корпус прибора —контактная поверхность охладителя RIhci; контактная поверхность охладителя —охлаждающая среда R,hha; переход —охлаждающая среда Rlh/a.

Приняв условно тепловое сопротивление как перепад темпера­ туры на единицу греющей мощности, получаем следующие выраже­ ния:

60