Рубрики
Составляющие силовой электроники

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты Валентин Мартыненко Алексей Хапугин Алексей Гришанин Владимир Чибиркин Андрей Конюхов Инна Веселова Алексей Сурма Представлены

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты Валентин Мартыненко Алексей Хапугин Алексей Гришанин Владимир Чибиркин Андрей Конюхов Инна Веселова Алексей Сурма

Представлены результаты разработки ОАО «Электровыпрямитель» и ФГУП «ВЭИ» серии массивных низкочастотных тиристоров с прямым управлением светом (фототиристоров) с вставленными функциями самозащиты для энергосберегающих электроприводов среднего напряжения, передачи электронной энергии и компенсации реактивной мощности.

В критериях насыщенного развития электротехники и электроэнергетики, роста выработки, передачи и употребления энергии все более животрепещущей становится неувязка совершенствования силовой электроники и ее элементной базы.

Согласно аналитическим и обзорным источникам инфы о состоянии энергетики, за рубежом полупроводниковые управляемые вентили являются определяющими в устройствах с силовой электроникой. В США, Стране восходящего солнца и Европе более 60% вырабатываемой электроэнергии проходит через полупроводниковые вентили. В Рф аналогичный показатель составляет 30%. Увеличение этой числа до мирового уровня позволит сберечь 15% электроэнергии, что сопоставимо с вкладом атомных либо гидроэлектростанций.

Анализ тенденций развития силовых полупроводниковых устройств указывает, что в ряде областей внедрения суровую конкурентнсть нареченным устройствам могут составить массивные высоковольтные тиристоры с прямым управлением светом (LTT — Light Triggered Thyristor), которые дают обыкновенные и надежные схемотехнические решения стратегических заморочек электротехники, электроэнергетики и других отраслей науки и техники.

Внедрение фототиристоров более отлично в устройствах с поочередным соединением устройств и высочайшим уровнем электрических помех. Потому они отыскали обширное применение в современных энергосберегающих преобразователях для линий передачи неизменного тока (HVDC), компенсаторов реактивной мощности (SVC), электроприводов среднего напряжения, также в высоковольтных ключах для импульсных применений [1-5].

Фототиристоры владеют целым рядом преимуществ по сопоставлению с обыкновенными тиристорами, которые врубаются электронными сигналами. К ним относятся сначала прямое управление импульсами света, четкий временной контроль включения группы устройств, высоковольтная гальваническая развязка меж схемой управления и силовой цепью, высочайшая помехоустойчивость, огромные интервалы меж профилактическими работами, простота и безопасность обслуживания устройств.

Так же, как и современные тиристоры с электронным управлением, фототиристоры имеют низкие утраты в проводящем состоянии и малые разбросы VTM, QRR, IRR, они устойчивы к значимым токовым перегрузкам и высочайшим (dI/dtT)crit.

В кремниевую структуру фототиристоров интегрировано несколько защитных функций, что позволяет упростить либо вообщем исключить сложные и дорогие электрические схемы защиты от пробоя при наружных критичных воздействиях. Все это дает возможность уменьшить количество частей в схеме преобразователя, обеспечить высочайшие КПД и надежность системы в целом.

ОАО «Электровыпрямитель» в 2006-2009 гг. вместе с ФГУП «ВЭИ» разработало и освоило создание серии фототиристоров на токи 630-2000 А, напряжение до 7000 В. Ниже представлена короткая информация об этих многообещающих устройствах.

Описание конструкции фототиристора

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащитыКонструкция фототиристора подобна конструкции высоковольтного таблеточного тиристора, только заместо электронного управляющего вывода фототиристор имеет оптический вход. Разработаны две модификации устройств, отличающиеся системами ввода светового сигнала в корпус прибора.

В первом варианте (рис. 1) в центре катодного основания фототиристора имеется оптическое окно, расположенное поблизости фоточувствительной области полупроводниковой структуры. В данной конструкции для управления прибором применяется оптический интерфейсный кабель (LTT-адаптер). Одним концом («крюком») он вставляется в паз катодного основания пилюли, вторым концом через оптический разъем соединяется с лазерным диодиком. Импульс света поступает в фоточувствительную область кремниевой структуры от лазерного диодика через оптоволоконный кабель, адаптер и оптическое окно. Особенность этой конструкции состоит в том, что подключение LTT-адаптера нужно создавать до сборки фототиристора с охладителем.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты2-ой вариант конструкции фототиристора (рис. 2) имеет оптическую розетку, которая размещена на боковой поверхности катодного основания. В этом варианте управляющий импульс света, поступивший через оптоволоконный кабель на оптическую розетку, передается к фоточувствительной области структуры по отрезку световода снутри корпуса [6]. Такая конструкция ввода сигнала управления позволяет создавать подключение световода к розетке фототиристора при помощи стандартных оптических разъемов как до, так и после сборки прибора с охладителем либо даже после монтажа всей силовой схемы преобразователя.

Управление фототиристором Процесс включения

Фототиристор управляется световым импульсом ИК-диапазона. Выбор длины волны излучателя обоснован особенностью конструкции разрабатываемого фототиристора с большой глубиной залегания коллекторного p-n-перехода.

На рис. 3 приведены схематическое изображение p-n-p-n-структуры и кривые поглощения излучения в кремнии для разных длин волн излучателя в согласовании с законом Бугера-Ламберта:

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащитыгде Ф0 — поток излучения на поверхности полупроводника, х0 — глубина поглощения, после прохождения которого поток излучения миниатюризируется в е = 2,178 раза.

Из приведенных иллюстраций следует, что оптимум длины волны излучателя для управления фототиристором находится в спектре 0,9-1,05 мкм.

Управляющий импульс передается к светочувствительной области кремниевой структуры через оптоволоконный световод. Он соединяется оптическими разъемами с корпусом фототиристора и с излучающим лазерным диодиком, к примеру типа SPL-PL90 (компания OSRAM), длина волны оптического излучения которого 0,88-0,98 мкм. Длина световода фактически не ограничена, потому что затухание сигнала управления в нем сильно мало (порядка 1 дБ на 1 км). Лазерный диодик преобразовывает электронный сигнал, поступающий от драйвера управления в световой импульс, который по форме и продолжительности фактически повторяет электронный импульс. На рис. 4 представлены выходная оптическая мощность лазерного диодика и рекомендованная форма импульса тока драйвера для управления фототиристорами компании Infineon.

Включение фототиристора происходит последующим образом. В начальном состоянии при подаче положительного потенциала на анод относительно катода в округи коллекторного (центрального) p-n-перехода p-n-p-n-структуры фототиристора появляется область пространственного заряда (ОПЗ) с высочайшим электронным сопротивлением. В данном случае фототиристор находится в закрытом состоянии. При подводе оптического сигнала к фоточувствительной области поток квантов света, отчасти поглощаясь в слое кремния, добивается ОПЗ. Энергия квантов света вызывает в ОПЗ процесс генерации пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), которые делятся электронным полем и выбрасываются в базисные p- и n-слои. Лишниие электроны в n-базе и дырки в p-базе нарушают электронную нейтральность в этих слоях, что вызывает инжекцию дырок из p-эмиттерного слоя и n-эмиттерного слоя. При достижении суммарного скопленного заряда в базисных слоях критичного уровня фототиристор перебегает в открытое состояние с малым электронным сопротивлением. Таким макаром, фототоки электронов и дырок в обозначенных слоях, поступающих из коллекторного p-n-перехода, являются базисными токами управления фототиристора по аналогии с током управления тиристоров, управляемых наружными электронными сигналами по базисным областям. В обоих случаях эффективность включения устройств определяется в главном зарядом, скопленным в узком p-базовом слое.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащитыИз изложенного следует, что включение происходит в той части полупроводниковой структуры, в какой достигнута критичная плотность тока p-базы и, соответственно, критичная плотность заряда. Составляющая фототока коллекторного p-n-перехода, не участвующая в этом процессе, радиально разливается по базисному p-слою, теряет плотность и не добивается критичного уровня. Это значит, что при завышенных токах растекания для включения фототиристора нужно прирастить оптическую мощность управления.

В согласовании с требованиями к разрабатываемым фототиристорам оптическая мощность управления не должна превосходить 40 мВт. Это требование было выполнено за счет выбора рационального диффузионного профиля полупроводниковой структуры LTT, топологии фоточувствительной области, частей усиления фототока и регенеративного управляющего электрода (РУЭ).

На рис. 5 показана осциллограмма прямой вольт-амперной свойства фототиристора при малых токах нагрузки, демонстрирующая процесс включения регенеративных ступеней и силовой области прибора поблизости последней ступени регенерации.

В топологии низкочастотных фототиристоров РУЭ заложен с довольно высочайшей степенью разветвления последней ступени регенерации. Исследования переходного процесса включения тестовых структур фототиристоров с избранной конструкцией РУЭ проявили высшую стойкость к (dIT/dt)crit (до 700 А/мкс), что в 2 раза выше нормированного значения.

На рис. 6 представлены осциллограммы анодного тока и напряжения при включении фототиристора оптическим сигналом мощностью 40 мВт. Видно, что тиристор просто врубается световым импульсом продолжительностью 10 мкс. Время задержки включения при всем этом около 3,5 мкс, что является нормой для данного класса устройств.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Встроенная защита от пробоя

Неувязка защиты от пробоя при переключении по аноду полупроводниковых устройств на базе мультислойных структур с S-образной вольт-амперной чертой (тиристоров, фототиристоров, сими-сторов и т. д.) связана с базовыми процессами локализации и шнурования тока в одном (более проводящем) канале в выпрямительном элементе с следующим выходом прибора из строя вследствие термического пробоя. Явление шнурования накладывает ограничения и на другие режимы коммутации (переключение по аноду при воздействии стремительно нарастающего прямого напряжения со скоростью, превосходящей критичную, восстановление запирающих параметров при наличии остаточного заряда в базисных областях мультислойной структуры).

Функция встроенной (интегрированной) защиты от пробоя заключается в том, чтоб при коммутации в несанкционированном (критичном) режиме исключить неконтролируемый процесс шнурования тока в мультислойной структуре прибора.

Одним из более всераспространенных критичных режимов, имеющих место при эксплуатации тиристоров, является перенапряжение. В данном случае приложенное анодное напряжение превосходит напряжение лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода, что приводит к переключению прибора. Процесс переключения, обычно, происходит на ограниченном участке площади p-n-p-n-структуры с малой электронной прочностью и заканчивается деградацией выпрямительного элемента вследствие шнурования тока и проплавления кремниевой структуры.

Задачка встроенной защиты от пробоя вследствие перенапряжения заключается в том, чтоб сформировать внутренний сигнал управления и включить тиристор, до того как анодное напряжение на нем возрастет до напряжения переключения.

Для решения этой задачки в кремниевой структуре прибора (рис. 7) в границах трехслойной p-n-p-области (области управления), расположенной под управляющим электродом (УЭ), создается локальный участок с пониженным по отношению к остальным областям структуры значением напряжения лавинного пробоя коллекторного (среднего) p-n-перехода (VDbr = VDbr min). При превышении значения VDbr min прямого напряжения на тиристоре в локальном участке появляется ток лавинного пробоя, протекание которого по цепи «УЭ-катод» вызывает включение тиристорной структуры по описанному чуть повыше методу. Обозначенный ток является, таким макаром, внутренним сигналом управления тиристора.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащитыЛокальный участок с пониженным значением VDbr min может находиться как в границах фоточувствительной области управления фототиристора, так и за ее пределами. Не считая того, если структура имеет многоступенчатое регенеративное управление, этот участок, в принципе, может быть размещен в границах хоть какой из областей управления. Значение VDbr min близко к напряжению переключения встроенного элемента самозащиты VB0 ВЭС , которое должно быть меньше напряжения переключения основной структуры (VB0 ОС).

Для сотворения локальных участков с пониженным значением напряжения лавинного пробоя была разработана разработка локального уменьшения удельного сопротивления кремния в n-базе введением в кремниевую структуру фототиристора маленьких донорных центров, связанных с атомами водорода [7]. На рис. 8 представлена зависимость напряжения переключения (VB0) от дозы протонного облучения (Ф). Эта зависимость может быть применена при выборе Ф и регулировании VB0 с довольно высочайшей точностью.

Переключение при резвом нарастании прямого напряжения (эффект dV/dt) происходит за счет протекания емкостного тока коллекторного перехода Ic = C( dV/dt), выполняющего роль тока управления при условии:

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

где τн — неизменная времени экспоненциального нарастания анодного тока на исходном участке включения тиристора, Qcrit — критичный заряд включения.

Проведенные опыты проявили, что с ростом dV/ dt после переключения наблюдается понижение напряжения на тиристоре на шаге модуляции сопротивления n-базы. Это является косвенным доказательством расширения канала проводимости при завышенных значениях dV/dt, другими словами с повышением емкостного тока управления. Заряд, вносимый емкостным током, ограничен величиной Qpn = CV, что не гарантирует равномерное включение прибора по всей площади вследствие флуктуации плотности критичного заряда включения. При Qpn<Qcrit переключение вообщем не происходит ни при каких значениях dV/dt.

Интегрированный элемент самозащиты (ВЭС) от пробоя при переключении вследствие воздействия прямого напряжения, нарастающего с высочайшей скоростью (эффект dV/dt), должен удовлетворять условию

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

где (dVD/dt)crit ВЭС — критичная скорость нарастания прямого напряжения ВЭС, (dVD/dt)crit ОС — критичная скорость нарастания основной структуры.

Более действенным направлением управляемого конфигурации (dVD/dt)crit ВЭС является оптимизация конструкции первого каскада усиления фототиристора.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащитыНа рис. 9 приведена фото выпрямительного элемента 1-го из вариантов фототиристоров с самозащитой от пробоя.

Сечение центральной части p-n-p-n-структуры фототиристора схематично изображено на рис. 10 (область А). Поверхностная шунтировка участков n-эмиттерных p-n-переходов условно показана резисторами RШ2, RШ3 и RШ4.

Представленная конструкция по существу является интегральной схемой, содержащей активные элементы (тиристоры, транзистор, динистор) и пассивные элементы (резисторы), соединенные меж собой в объеме p-n-p-n-структуры поверхностной металлизацией. Эквивалентная схема на дискретных элементах фототиристора дана на рис. 10 (область В).

Конструкция фототиристора и соответственная ей печатная плата содержат центральную фоточувствительную область, совмещенную с элементами самозащиты (I), три ступени регенерации (II, III, IV) и основной тиристор (V). Элементы II, III, IV являются вспомогательными тиристорными p-n-p-n-структурами, выполняющими функции промежных каскадов усиления тока управления. Последний каскад, являющийся разветвленным регенеративным управляющим электродом (РРУЭ) с наибольшим периметром границы начальной области включения основного тиристора, обеспечивает высочайшие значения критичной скорости нарастания прямого тока (dIT/dt)crit фототиристора.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Работа интегрированных частей самозащиты фототиристоров проверялась в испытательной схеме, которая сформировывает импульсы напряжения амплитудой до 10 кВ. Испытательная установка вооружена тепловизионной системой, позволяющей с высочайшей чувствительностью регистрировать ИК- и видеоизображения областей локального пробоя в кремниевых структурах.

Рис. 11 наглядно иллюстрирует процесс самозащиты фототиристора. На рис. 11а представлены осциллограммы напряжения и тока: этапы резвого наброса импульса напряжения в прямом направлении, переключения фотототиристора при VD = 6500 В и следующего протекания через прибор анодного тока. На рис. 11б приведено ИК-изображение испытуемого прибора в момент срабатывания самозащиты, на котором верно видно место расположения локального участка с пониженным напряжением лавинного пробоя («горячая» точка в центре выпрямительного элемента фототиристора).

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Характеристики и свойства фототиристоров

Главные характеристики и свойства разработанных фототиристоров приведены в таблице. Самый мощнейший из этой серии устройств — фототиристор ТФ183-2000, выполненный в металлокерамическом корпусе поперечником 120 мм, высотой 35 мм.

В процессе разработки фототиристоров была решена одна из важных для LTT задач, связанная, с одной стороны, с необходимостью увеличения оптической чувствительности управления и минимизации энергии утрат при переключении, с другой стороны — с необходимостью обеспечения больших значений (dVD/dt) CTit и положительной температурной зависимости напряжения переключения. Разработанные тиристоры реально управляются оптической мощностью менее 20 мВт и выдерживают (dVT/dt)crit = 5000 В/мкс.

На рис. 12-16 представлены обычные вольт-амперные свойства (ВАХ) во включенном состоянии и блокирующие ВАХ фототиристора ТФ183-2000, также зависимость токов утечки от температуры при На рис. 12-16 представлены обычные вольт-амперные свойства (ВАХ) во включенном состоянии и блокирующие ВАХ фототиристора ТФ183-2000, также зависимость токов утечки от температуры при VR = 7000 В, зависимость времени задержки включения от прямого напряжения и оптической мощности управления, зависимость заряда оборотного восстановления от скорости спада анодного тока.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Высочайшие значения и симметричность блокирующих черт фототиристора получены за счет использования специальной формы бокового контура кремниевой структуры с двойным положительным углом типа «несимметричный ласточкин хвост» (НЛХ) [8].

К преимуществам разработанных тиристоров по сопоставлению с существующими аналогами следует отнести то, что они имеют низкие статические и динамические утраты, малый заряд оборотного восстановления, высочайшие значения (dVD/dt)crit, низкие токи утечки.

Разработанные фототиристоры врубаются резвее и при более низком анодном напряжении — фактически так же, как и обыденные тиристоры (VD≥2 В).

Исследования в области сотворения полупроводниковых ключей, управляемых импульсами света, длятся. Они ориентированы на улучшение частей самозащиты, повышение рабочих токов и напряжений, улучшение импульсных черт.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Разработка и освоение производства высоконадежных фототиристоров позволит обеспечить комплектацию преобразовательного оборудования электроэнергетики современной полупроводниковой элементной базой и будет содействовать удачному выполнению силами российских компаний плана многообещающего развития электронной сети Единой энергетической системы Рф и Генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики до 2020 г., одобренной Правительством РФ распоряжением № 215-р от 22.02.2008 г.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты

Заключение

Разработаны новые массивные высоковольтные тиристоры типа ТФ353-630, ТФ173-1000, ТФ183-2000 с прямым управлением света (фототиристоры) на токи от 630 до 2000 А, напряжение до 7000 В с вставленными функциями самозащиты.

Фототиристоры имеют высочайший КПД, устойчивы к неоднократным перегрузкам по току и напряжению, к высочайшим электрическим помехам и другим наружным критичным воздействиям. Электронные характеристики и свойства оптимизированы для работы в сборках с поочередным соединением фототиристоров.

Они отыщут обширное применение в российских преобразователях последнего поколения для высоковольтных передач неизменного тока, компенсации реактивной мощности, управления сильными электродвигателями среднего напряжения (к примеру, для газокомпрессорных станций).

Благодаря оптическому управлению, встроенным защитным функциям, также уникальному сочетанию коммутирующих черт, фототиристор занимает сейчас достойное место в ряду важных компонент для электрического оборудования HVDC, также для других применений, где требуется преобразование электронной энергии в мега-и гигаваттном спектре мощностей.

Создатели благодарят Орната Е.К. за выставленные материалы по ИК-поглощению в кремниевых структурах, также всех других коллег из ОАО «Электровыпрямитель» и ФГУП «ВЭИ» за их роль в данной работе.

Разработка массивных фототиристоров c функциями самозащиты