тиристора (рис. 3.19). Отрезок, отсекае-емый этой линией на оси абсцисс, численно равен пороговому напряжению (/(ГО) {Uxтo))> а котангенс угла, под которым эта линия пересекает ось абсцисс, есть дифференциальное сопротивление rj. Эти параметры приводятся в справочных данных, причем необходимо иметь в виду, что они характеризуют состояние высокой проводимости при максимально допустимой температуре перехода.

Пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление позволяют рассчитать среднюю мощность потерь, значение которой определяет нагрев структуры прибора при заданном среднем токе.

Для диода

Рис. 3.20. Прямые характеристики диода при различных темнерату-рах:

Tji >Tj2>Tjy, А~ точка инверсии

Для тиристора

Рр = Ut0)IFAV+ кфГт11АУ-

Рт= UT{TofTAV+ kpllTAV:

Для симметричного тиристора

Рг= 0,9Uт^тo) Itrms + ttItrms-

(3.7а)

(3.76)

(3.7B)

Пороговое напряжение почти не зависит от конструктивных особенностей прибора (при комнатной температуре его значение составляет около 1 В), а дифференциальное сопротивление прямо пропорционально толщине кремниевой структуры и обратно пропорционально ее площади [2]. По мере возрастания температуры пороговое напряжение имеет тенденцию к уменьшению, а дифференциальное сопротивление - к возрастанию. Если снять семейство характеристик высокой проводимости для одного и того же прибора при разных температурах 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 напряжения в закрытом состоянии при отсутствии управляющего сигнала через прибор протекает ток, значение которого зависит от дефектов структуры в объеме и на поверхности, а также ток, обусловленный рекомбинацией и искусственной омической шунтировкой, используемой как метод улучшения отдельных параметров прибора. При большом напряжении этот ток может возрасти до значений, при которых мощ-

ность, выделяемая на отдельных участках структуры прибора, приводит к значительному перегреву, и прибор становится неработоспособным.

Критерием, определяющим работоспособность прибора, т. е. способность выдерживать напряжение, определяемое для данного прибора в соответствии с маркировкой по классу, является повторяющийся импульсный обратный ток (повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии). Регламентируемое значение этого параметра приводится в технических условиях и справочных данных при максимально допустимой температуре перехода. Прибор считается годным, если при приложении к нему повторяющегося напряжения значение повторяющегося импульсного обратного тока или повторяющегося импульсного тока в закрытом состоянии не превышает регламентируемого значения. Следует заметить, что на практике, как правило, измеренные значения этого параметра ниже нормируемых, что объясняется отбраковкой приборов на предприятиях-изготовителях по этому параметру по его верхней границе. Классификация приборов по напряжению производится обычно при ступенчатом или плавном нарастании напряжения, источник которого автоматически отключается при достижении обратным током (током в закрытом состоянии) определенного значения тока уставки защиты испытательного устройства. В момент срабатывания защиты (либо в некоторых случаях в момент загиба характеристики, наблюдаемого с помощью осциллоскопа) фиксируется значение напряжения, которое затем пересчитывается в напряжение класса путем умножения на коэффициент к < I, устанавливаемый заводом-изготовнтелем. Если при этом напряжении измерять обратный ток (ток в закрытом состоянии), то его значения будут различными для приборов одного типа в зависимости от вида вольт-амперной характеристики, но меньше максимально допустимого значения.

Обратный ток, как и ток в закрытом состоянии, является одним из основных параметров-критериев годности силовых полупроводниковых приборов. Периодически контролируя этот параметр в процессе эксплуатации, можно заранее выявить ненадежные приборы (с возросшим 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 протекает постоянный ток при отсутствии управляющего сигнала, то при плавном снижении этого тока наступает момент, когда тиристор переходит в закрытое состояние. На рис. 3.4 значение этого тока характеризуется отрезком 7, а на рис. 3.7- отрезком 5. Эти значения соответствуют току удержания.

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

Рис. 3.21. К определению термина ток включении :

01 < 02 < 03; 1ат - отпирающий ток управления; / - ток удержания

вечных данных наряду с максимально возможным значением тока удержания 1ц при 20 ± 5 °С приводится температурная зависимость этого параметра для всего диапазона рабочих температур.

При включении тиристора управляющим импульсом определенной амплитуды и длительности прибор включается только тогда, когда ток в открытом состоянии превысит определенное значение, называемое током включения 1 и приводимое в справочных данных. Если ток в открытом состоянии станет меньше этого значения, прибор может перейти обратно в закрытое состояние после прохождения управляющего импульса. Ток включения зависит от амплитуды и длительности 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 управляющего импульса ток включения становится равным току удержания. Наоборот, при коротких импульсах (менее 50 мкс) и при амплитуде тока управления, близкой к отпирающему току, значение тока включения в несколько раз может превышать ток удержания.

3.12. BPEMEHH6IE 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 t, состоит из времени задержки и времени нарастания

t , = t + t . (3.8)

Время задержки tj в основном зависит от амплитуды тока управляющего импульса и длительности его фронта.

Время нарастания зависит от амплитуды тока в открытом состоянии, 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.

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 зависит от напряжения в закрытом состоянии. Практика показывает, что при возрастании напряжения в закрытом состоянии от 100 В до половины максимального значения время задержки уменьшается в 3-5 раз.

Время включения для приборов одного и того же типа не одинаково. Как правило, в информационных материалах указывается максимально возможное значение этого параметра. Разброс у при групповом соединении приборов приводит к значительным перегрузкам отдельных приборов по току (при параллельном соединении) или напряжению (при последовательном соединении). С целью уменьшения этого разброса необходимо осуществлять управление приборами с помощью импульсов с возможно коротким фронтом и большой амплитудой тока управления. Из практики эксплуатации мощных преобразователей 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 тиристор мог воспринимать на себя напряжение в закрытом состоянии через ограниченный промежуток времени после момента прекращения тока в открытом состоянии. Это время должно быть больше времени выключения тиристора, в противном случае тиристор будет отпираться 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 открытом состоянии, скорости его спада, температуры перехода, амплитуды и скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии и уменьшается 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 воспринимать обратное напряжение.

Процесс обратного восстановления условно можно разделить на два этапа: до момента достижения обратньпи током максимального значения и далее до установления статического обратного тока (см. рис. 3.3). В соответствии с этим время обратного восстановления t состоит из времени запаздывания обратного напряжения и времени спада обратного тока tp а заряд восстановления Q - из заряда запаздывания и остаточного заряда Qj..

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

соотношениями

lRRU = ]/2QrA-dlT/dt); (3.9)

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 критерием при оценке возможности работы КС-цепочки при высоких уровнях загрузки приборов по напряжению.

Заряд восстановления позволяет произвести расчет КС-цепочек, применяющихся для исключения перенапряжений на отдельных приборах при их последовательном соединении.

3.13. КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЗАКРЫТОМ СОСТОЯНИИ

При приложении к тиристору напряжения в закрытом состоянии и о с большей скоростью его нарастания через прибор начинает протекать емкостный ток [2]

ic C dup/dt, (3.11)

где С - емкость центрального р-п перехода.

Значение этого тока возрастает с увеличением С и скорости нарастания 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. Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, при которой происходит переключение прибора из закрытого в открытое состояние, называется критической (dwo/df)cnc

Напряжение переключения Ubo) при воздействии dup/dt зависит от dup/dt и температуры перехода, уменьшаясь с их ростом. Такие зависимости приводятся в справочных данных (рис. 3.22).

Классификация приборов по (dup/dt);, производится следующим образом. На прибор, нагретый до максимально допустимой- температуры, при разомкнутой цепи управляющего электрода подаются импульсы напряжения в закрытом состоянии с линейным фронтом (рис. 3.23). Амплитуда импульсов напряжения должна быть равной 0,67 повторяющегося импульсного напряжения. Скорость нарастания напряжения равна 0,67 Uprm/T. Достижение критического значения dupjdt фиксируется в момент резкого снижения напряжения Up.

Значение (dup/dt) уменьшается с ростом напряжения в закрытом состоянии и температуры перехода.

При проектировании преобразователей необходимо учитывать это

Рис. 3.22. Зависимость иапряженни переключения Ц^о) от скорости нарастания

напряжения в закрытом состоянии dupfdl-и^во)т - напряжение переключения при синусоидальном напряжении;

= 20±5 С; ~

Рис. 3.23. К оиределению термина {duoldt) ,i иORM -г повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

явление переключения, выбирая тиристоры с соответствующей группой по (duDldt) (см. § 1.2).

Для симметричных тиристоров одним из важнейших параметров является критическая скорость нарастания коммутационного напряжения {du[,ldt)com- Он должен учитываться при работе симметричных тиристоров в режиме, когда после прохождения тока в одном из направлений в противоположном направлении прикладывается напряжение в закрытом состоянии, которое может переключить прибор при большой скорости нарастания напряжения. Диаграммы тока и напряжения для этого режима показаны на рис. 3.8.

Значение (dujjdt) уменьшается с ростом тока в открытом состоянии, скорости его спада, температуры перехода, амплитуды напряжения в закрытом состоянии. Все эти зависимости приводятся в справочных данных на симметричные тиристоры.

3.14. ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Тепловые потери, возникающие при прохождении тока через полупроводниковый прибор, выделяются в основном в небольшом объяче полупроводниковой структуры. Отсюда тепловой поток проходит через 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 потока, вследствие чего создается перепад температур между структурой и каждым из слоев. Рассматривая путь теплового потока через от-дельщ>1е в конструктивном отношении элементы, можно говорить о тепловых сопротивлениях участков:

переход - корпус прибора Rthic\

корпус прибора - контактная поверхность охладителя R , контактная поверхность охладителя - охлаждающая среда R,; переход - охлаждающая среда

Приняв условно тепловое сопротивление как перепад температуры на единицу греющей мощности, получаем следующие выражения:

Рис. 3.24. К определению теплового сопротивления тиристора таблеточной конструкции

Тек

Тел

PfAV

fTAV

Т - Т

л. в - >

(3.12) (3 13) (3.14) (3.15)

где Tj - температура перехода; - температура корпуса прибора; Tj - температура контактной поверхности охладителя; - температура охлаждающей среды.

Тепловое сопротивление переход - корпус определяется в основном площадью полупроводниковой структуры, качеством контактных соединений и конструкцией корпуса. Приведенное для Rijc выражение относится к прибору штыревой конструкции. Приборы таблеточной конструкции характеризуются тепловыми сопротивлениями переход - анодный вывод корпуса R,k,cA и переход - катодный вывод корпуса RthjcK- Эквивалентная расчетная схема теплового сопротивления прибора таблеточной конструкции показана на рис. 3.24.

В соответствии со схемой

R j.A + R

RthjcA =

<thjcK =

Ptava T, - T,K Ptavk

(3 16)

(3 17)

(3.18)

Приведенные выражения относятся к установившемуся тепловому режиму. В переходных режимах тепловое состояние полупроводникового прибора характеризуется переходными тепловыми сопротивлениями переход - корпус Z,h),jc и переход-среда Z,h),ja.

Зависимости Z(,,jc=f{t) приводятся в справочных данных для конкретных типов полупроводниковых приборов. Зависимости

* Для диодов мощность потерь обозначается Pfav-

Z(,ft),ja = f(t) также имеются в справочных данных, причем они относятся к конкретному типу охладителя. Если прибор работает в сборе с другим охладителем, то переходное тепловое сопротивление переход - среда

(Idjlja = (lli)ljc [(1Л)<Ло + tte*]- (3.19)

Переходное тепловое сопротивление охладителя Z приводится в справочных данных на охладители для каждого конкретного типа. При использовании 2 в качестве составляющей Z j j необходимо для расчетных значений времени t > 1с суммировать его с контактным тепловым сопротивлением Л, поскольку при достижении тепловым потоком поверхности охлаждающего устройства в эквивалентную тепловую схему включается тепловое сопротивление контакта между корпусом прибора и контактной поверхностью охладителя.

В установивщемся тепловом режиме 2,, =

Имея значения 2, , для конкретных временных интервалов t, можно при известном значении греющей мощности Pjav рассчитать температуру перехода в момент времени t

T T + PtavZ , (3.20)

3.15. УДАРНАЯ МОЩНОСТЬ ОБРАТНЫХ ПОТЕРЬ

Лавинные приборы в npqnecce эксплуатации могут выдерживать значительные перегрузки по току в обратном направлении. Основной характеристикой перегрузочной способности при этом является ударная мощность обратных потерь Prsm-

Нормируемое значение Prsm устанавливается при максимально допустимой температуре перехода и определенной длительности импульса обратного напряжения (обычно 100 мкс). При испытаниях на прибор в обратном направлении подается напряжение, равное напряжению пробоя U(br), а амплитуда импульсов обратного тока устанавливается из расчета Ir = Prsm/U(br).

В справочных данных приводятся зависимости ударной мощности обратных потерь от длительности импульса обратного напряжения и частоты следования импульсов.

* Строго говоря, значение контактного теплового сопротивления также непостоянно во времени. Однако вследствие его незначительности в общем тепловом сопротивлении ,н малой тепловой постоянной времени (при соблюденнн требований к сборке и качеству контактных поверхностей) этим можно пренебречь в инженерных расчетах.

РАЗДЕЛ 4

РАСЧЕТ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.

ГРУППОВОЕ сонданЕниЕ.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ

4.1. МЕТОД РАСЧЕТА

Токовая нагрузочная способность силовьгх полупроводниковых приборов определяется максимально допустимой температурой перехода, которая не должна быть превышена в любых режимах работы прибора.

Расчет температуры перехода производится по известным значениям мощности потерь и теплового сопротивления. Метод расчета заключается в следующем [7].

Пусть нужно рассчитать превышение температуры перехода АГ2 в момент времени t, если в приборе в течение времени tj выделялась постоянная мощность Pf {рис. 4.1, а).

В промежутке времени от to до tl превышение темперйтуры пе- PjJj рехода нарастает до ATji, а затем на отрезке времени t, - t2 падает до ATjj. Для расчета превышения температуры в момент времени tj условно увеличивают длительность импульса мощности до этой точки, предполагая, что в промежутке времени tl - t2 рассеивается отрицательная мощность, абсолютное значение которой то же, что и у реального импульса (рис. 4.1, б). В этом случае можно записать выражение для превышения температуры перехода в момент времени t2

ДГ,2 = ДТ; - АГ;2 = Рт4€°а + (- (4.1)

В выражении (4.1) ZJjo и Zщ\Ja - значения переходного теплового сопротивления переход - среда, соответствующие интервалам времени t2 - to и t2 - tl и определяемые по зависимостям = /(t) при соответствующем охлаждении.

Преобразуя выражения (4.1), получаем

AT, = PT{Z-,!;:,ba-K. J- (4.2)

Учитывая, что на практике имеют место более сложные виды нагрузки, при которых в расчетных выражениях могут применяться до нескольких десятков значений Р и Z, для упрощения расчетных выра-

Рис. 4.1. К пояснению метода расчега нревышеиня температуры перехода

* Далее в этом разделе с целью упрощения мощность потерь обозначается Pj., а в конкретных примерах для диодов - Pp.

РК, 4.2. Замена импульса мощности произвольной формы эквивалентным импульсом мощности прямоугольной формы

Рис. 4.3. Замена серии импульсов одиночным имиульсом мощности прямоугольной формы

жений далее применяют следующие обозначения:

R-thja - Rt>

yt -l, 7

(4.3)

Тогда выражение (4.1) будет иметь вид ДГ, = РН2,- -2,.,).

(4.4)

В расчетных соотнощениях предполагается воздействие прямоугольного импульса мощности. Реальная форма для приборов, работающих в схемах различных преобразователей электрической энергии, как правило, отличается от прямоугольной. Предполагаемый способ расчета оснсяан на преобразовании импульсов мощности любой формы в прямоугольную [7]. Принцип преобразования показан на рис. 4.2. Преобразованные импульсы мощности (рис. 4.2,6) имеют ту же амплитуду, что и реальный (рис. 4.2, а), и то же среднее значение, а их длительность равна JVt, где N = Рт/Ртм-

Аналогичное преобразование можно произвести при нагрузке прибора сериями коротких импульсов (рис. 4.3). При наличии серии импульсов мощности длительностью т с амплитудным значением Ртм, оиа для расчета температуры перехода может быть заменена одним импульсом с той же амплитудой и длительностью Nx = Рт/Ртм-

В случае нагрузки одиночными импульсами произвольной формы и длительности может быть применен графоаналитический способ расчета. Для использования этого способа необходимы осциллограмма