Рейтинг@Mail.ru

О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИН ПАРАМЕТРОВ ТОКА УПРАВЛЕНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ ПЛОЩАДИ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ
ТИРИСТОРЫ
TIRISTORБизнес-каталог компаний Украины, товары и услугиzakupka.com
ChipFind - поисковая система по электронным компонентам

О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИН ПАРАМЕТРОВ ТОКА УПРАВЛЕНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ ПЛОЩАДИ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ

1
УДК 681.586.69
О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИН ПАРАМЕТРОВ ТОКА УПРАВЛЕНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ 
ПЛОЩАДИ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ
Беспалов Н. Н., Зинин С. А.
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева,
Научно-производственное предприятие «Электронная техника – МГУ»
Тел. (834-2) 24-37-05. E-mail: bnn48@mail.ru
Аннотация. Рассматриваются вопросы влияния параметров тока управления силовых 
тиристоров на величину площади первоначального включения, которая предопределяет их 
diT/dt-стойкость.
Ключевые слова: надежность тиристоров, diT/dt-стойкость, площадь первоначального 
включения, параметры тока управления, управляющий электрод, потенциально ненадежные 
приборы.
Введение
Обеспечение надежности преобразовательных устройств на основе силовых 
тиристоров (СТ) является актуальной задачей. Статистика данных полученных в ходе 
эксплуатации СТ показывает, что до 50% всех типов отказов СТ вызвано термически 
активируемыми деградационными процессами в области первоначального включения (ОПВ)
[1], которая формируется в границах основного управляющего электрода (УЭ). Развитие 
этих процессов при определенных условиях приводит к существенному изменению и 
нарушению структуры области УЭ и, соответственно, величин параметров СТ при 
эксплуатации. Знание этих процессов и причин и условий их возникновения позволяет
определить предельно допустимые режимы эксплуатации СТ, при которых достигаются 
требуемые величины показателей надежности, и выявить потенциально ненадежные приборы.
Процессы, протекающие в тиристорах при включении
Исследования отказавших тиристоров показывают, что в области их УЭ наблюдаются 
типичные эрозионные каналы с плавлением кремния в зоне между УЭ и катодной 
металлизацией [2]. Эти нарушения тиристорной структуры (ТС), вызывающие ее отказ, 
характерны для случаев, когда в управляющей цепи создаются импульсы тока управления со 
сравнительно низкими значениями амплитуды тока управления IGM и скорости его 
нарастания diG/dt. При этом в силовой цепи СТ протекает суммарный ток T
i в открытом 
состоянии, состоящий из тока нагрузки н
i и разрядного тока снаберной RC-цепи, 
характеризующийся высокой скоростью нарастания diT/dt, что вызывает в ОПВ выделение 
повышенной энергии потерь.
Рассмотрим процесс включения СТ в описанном режиме для пояснения причины 
подобных отказов. Переключение ТС в проводящее состояние током управления iG ,
подаваемого обычно в сильно легированную p-базу СТ, является основным способом 
включения СТ. Процесс включения СТ начинается с момента достижения заряда неосновных 
носителей в p-базе величины критического заряда включения (КЗВ) Qcrit для данного СТ.
При этом в области УЭ формируется ОПВ с величиной ППВ существенно определяемой 
плотностью тока управления, достигнутой к моменту переключения. На рис. 1 и 2
проиллюстрированы процессы в управляющей и анодной цепях СТ при включении, 
соответственно, с относительно малой скоростью нарастания тока управления diG /dt и 
высокой скоростью.2
Рис. 1. Иллюстрация переходных 
процессов в СТ при относительно низкой 
скорости нарастания тока управления 
di dt G
/ .
Рис. 2. Иллюстрация переходных 
процессов в СТ при относительно высокой 
скорости нарастания тока управления 
di dt G
/ .
На рис. 3 представлена типичная зависимость ППВ S0
 от амплитуды GM I тока 
управления, полученная расчетным путем [3].
Из рис. 1 видно, что при относительно низкой скорости нарастания di dt G
/ включение 
СТ осуществляется при достижении заряда в базе критической величины Qcrit на фронте 
тока управления и при относительно малой величине тока управления. При этом в 
соответствии с рис. 3 это условие соответствует формированию ОПВ с относительно малой 
величиной ППВ (участок 1). 
Из рис. 2 видно, что при относительно высокой величине скорости нарастания di dt G
/
включение СТ осуществляется при достижении заряда в базе критической величины 
Qcrit при амплитуде тока управлении GM I , величина которого может устанавливаться таковой, 
чтобы формирование ОПВ осуществлялось с максимально возможной ППВ (участок 2).
Характерной особенностью рассмотренных вариантов импульсов управления с 
различными скоростями нарастания тока управления di dt G
/ является то, что величина 
di dt G
/ оказывает влияние на величину времени задержки d
t . Из рис. 1 и 2 видно, что более 
высокой скорости нарастания тока управления di dt G
/ соответствует меньшее время 
задержки d2 d1
t  t . Данный факт свидетельствует о том, что выбор параметров тока 
управления является важнейшей задачей для безопасного включения СТ при групповом 
Рис. 3. Расчетные зависимости S0
от амплитуды тока GM I управления при различных 
значениях напряжения UDM в закрытом состоянии СТ с круглым УЭ.3
соединении. Различное время задержки приводит к различным временам включения СТ в 
группе, что может привести к отказам как отдельных приборов, так и групп СТ, что в целом 
снижает показатели надежности преобразовательного устройства.
Рассмотренные особенности включения СТ позволяют сделать вывод о том, что для 
обеспечения заданной diT/dt-стойкости СТ требуется формирование в цепи УЭ импульсов 
тока управления с оптимальными значениями амплитуды тока управления IGMОПТ и скорости 
его нарастания diG/dtОПТ, при которых достигаются максимально возможные размеры ППВ 
СТ определенного типа, связанной с предельным динамическим параметром – критической 
скоростью нарастания тока в открытом состоянии (diT/dt)crit СТ одного типа. Различие в 
параметрах импульса управления обуславливает в свою очередь различный ресурс СТ 
одного типа при эксплуатации в режимах с повышенными значениями diT/dt.
В работе [4] нами предложено испытательное устройство для определения 
информативного параметра, характеризующего качество включения СТ, – ППВ 0
S . Система 
управления устройства спроектирована с возможностью исследования по выбору
оптимальных параметров импульса управления для обеспечения заданной diT/dt-стойкости. 
В устройстве реализована возможность изменения амплитуды тока управления GM I в 
диапазоне от 0,01 А до 3 А. Это связано с тем, что существенное увеличение амплитуды тока 
управления GM I не приводит к значительному увеличению ППВ, так как при величинах 
GM I >1А изменение ППВ мало (рис. 3). Между тем существенное увеличение амплитуды тока 
управления GM I может привести к следующим негативным последствиям для конкретного 
СТ:
– возможен существенный перегрев ТС в области УЭ, что при определенных 
условиях может усугубить влияние эрозионных процессов, приводящих к выходу СТ из 
строя;
– тангенциальный ток в управляющей области основного УЭ создает на участке
свободном от металлизации напряжение G
u , которое противоположно по знаку напряжению 
управления выходного каскада, что в конечном итоге при использовании этих каскадов на 
основе эквивалентных импульсных источников напряжения приводит к уменьшению тока 
управления G
i и, соответственно, ППВ [5].
Дальнейшие исследования позволят выработать рекомендации и методики по 
определению оптимальных величин параметров тока управления, при которых 
обеспечивается заданная diT/dt-стойкость СТ.
Литература
1. Плоткина, Н. З., Цзин Ю. Д. Испытания силовых тиристоров на di/dt-стойкость / Н. З. 
Плоткина, Ю. Д. Цзин // Труды НИИПТ. — Л. : Энергоиздат. — 1981. — С. 68–74.
2. Беспалов, Н. Н. Причины отказов силовых тиристоров в режимах включения с высокими 
значениями скорости нарастания тока в открытом состоянии / Н. Н. Беспалов // Силовая 
электроника. — 2005. — №2. — С. 44–46.
3. Беспалов, Н. Н. Исследование площади начального включения силовых тиристоров / Н. Н. 
Беспалов // Полупроводниковые приборы и преобразовательные устройства : Современные 
направления исследования и конструирования: Межвуз. сб. науч. тр. — Саранск : Изд-во 
Морд. ун-та, 1988. — С. 49–56.
4. Беспалов, Н. Н., Зинин С. А. Устройство для определения параметров тиристоров при 
включении / Н. Н. Беспалов, С. А. Зинин // Материалы XIII научной конференции молодых 
ученых, аспирантов и студентов МГУ имени Н. П. Огарева. Ч. 2. — Саранск : Изд-во Морд. 
ун-та, 2008. — С. 254–258.
5. Беспалов, Н. Н., Зинин, С. А. Проблемы формирования тока управления силовых тиристоров 
// Электроника и информационные технологии. – 2008 выпуск 1 (3) – 2008. –
http://fetmag.mrsu.ru/2008-1/pdf/2-Bespalov/Statya_Bespalov_Zinin.pdf. – 0420900067/0002.

1УДК 681.586.69О ВЛИЯНИИ ВЕЛИЧИН ПАРАМЕТРОВ ТОКА УПРАВЛЕНИЯ НА ВЕЛИЧИНУ ПЛОЩАДИ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВБеспалов Н. Н., Зинин С. А.Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева,Научно-производственное предприятие «Электронная техника – МГУ»Тел. (834-2) 24-37-05. E-mail: bnn48@mail.ruАннотация. Рассматриваются вопросы влияния параметров тока управления силовых тиристоров на величину площади первоначального включения, которая предопределяет их diT/dt-стойкость.Ключевые слова: надежность тиристоров, diT/dt-стойкость, площадь первоначального включения, параметры тока управления, управляющий электрод, потенциально ненадежные приборы.ВведениеОбеспечение надежности преобразовательных устройств на основе силовых тиристоров (СТ) является актуальной задачей. Статистика данных полученных в ходе эксплуатации СТ показывает, что до 50% всех типов отказов СТ вызвано термически активируемыми деградационными процессами в области первоначального включения (ОПВ)[1], которая формируется в границах основного управляющего электрода (УЭ). Развитие этих процессов при определенных условиях приводит к существенному изменению и нарушению структуры области УЭ и, соответственно, величин параметров СТ при эксплуатации. Знание этих процессов и причин и условий их возникновения позволяетопределить предельно допустимые режимы эксплуатации СТ, при которых достигаются требуемые величины показателей надежности, и выявить потенциально ненадежные приборы.Процессы, протекающие в тиристорах при включенииИсследования отказавших тиристоров показывают, что в области их УЭ наблюдаются типичные эрозионные каналы с плавлением кремния в зоне между УЭ и катодной металлизацией [2]. Эти нарушения тиристорной структуры (ТС), вызывающие ее отказ, характерны для случаев, когда в управляющей цепи создаются импульсы тока управления со сравнительно низкими значениями амплитуды тока управления IGM и скорости его нарастания diG/dt. При этом в силовой цепи СТ протекает суммарный ток Ti в открытом состоянии, состоящий из тока нагрузки нi и разрядного тока снаберной RC-цепи, характеризующийся высокой скоростью нарастания diT/dt, что вызывает в ОПВ выделение повышенной энергии потерь.Рассмотрим процесс включения СТ в описанном режиме для пояснения причины подобных отказов. Переключение ТС в проводящее состояние током управления iG ,подаваемого обычно в сильно легированную p-базу СТ, является основным способом включения СТ. Процесс включения СТ начинается с момента достижения заряда неосновных носителей в p-базе величины критического заряда включения (КЗВ) Qcrit для данного СТ.При этом в области УЭ формируется ОПВ с величиной ППВ существенно определяемой плотностью тока управления, достигнутой к моменту переключения. На рис. 1 и 2проиллюстрированы процессы в управляющей и анодной цепях СТ при включении, соответственно, с относительно малой скоростью нарастания тока управления diG /dt и высокой скоростью.2Рис. 1. Иллюстрация переходных процессов в СТ при относительно низкой скорости нарастания тока управления di dt G/ .Рис. 2. Иллюстрация переходных процессов в СТ при относительно высокой скорости нарастания тока управления di dt G/ .На рис. 3 представлена типичная зависимость ППВ S0 от амплитуды GM I тока управления, полученная расчетным путем [3].Из рис. 1 видно, что при относительно низкой скорости нарастания di dt G/ включение СТ осуществляется при достижении заряда в базе критической величины Qcrit на фронте тока управления и при относительно малой величине тока управления. При этом в соответствии с рис. 3 это условие соответствует формированию ОПВ с относительно малой величиной ППВ (участок 1). Из рис. 2 видно, что при относительно высокой величине скорости нарастания di dt G/включение СТ осуществляется при достижении заряда в базе критической величины Qcrit при амплитуде тока управлении GM I , величина которого может устанавливаться таковой, чтобы формирование ОПВ осуществлялось с максимально возможной ППВ (участок 2).Характерной особенностью рассмотренных вариантов импульсов управления с различными скоростями нарастания тока управления di dt G/ является то, что величина di dt G/ оказывает влияние на величину времени задержки dt . Из рис. 1 и 2 видно, что более высокой скорости нарастания тока управления di dt G/ соответствует меньшее время задержки d2 d1t  t . Данный факт свидетельствует о том, что выбор параметров тока управления является важнейшей задачей для безопасного включения СТ при групповом Рис. 3. Расчетные зависимости S0от амплитуды тока GM I управления при различных значениях напряжения UDM в закрытом состоянии СТ с круглым УЭ.3соединении. Различное время задержки приводит к различным временам включения СТ в группе, что может привести к отказам как отдельных приборов, так и групп СТ, что в целом снижает показатели надежности преобразовательного устройства.Рассмотренные особенности включения СТ позволяют сделать вывод о том, что для обеспечения заданной diT/dt-стойкости СТ требуется формирование в цепи УЭ импульсов тока управления с оптимальными значениями амплитуды тока управления IGMОПТ и скорости его нарастания diG/dtОПТ, при которых достигаются максимально возможные размеры ППВ СТ определенного типа, связанной с предельным динамическим параметром – критической скоростью нарастания тока в открытом состоянии (diT/dt)crit СТ одного типа. Различие в параметрах импульса управления обуславливает в свою очередь различный ресурс СТ одного типа при эксплуатации в режимах с повышенными значениями diT/dt.В работе [4] нами предложено испытательное устройство для определения информативного параметра, характеризующего качество включения СТ, – ППВ 0S . Система управления устройства спроектирована с возможностью исследования по выборуоптимальных параметров импульса управления для обеспечения заданной diT/dt-стойкости. В устройстве реализована возможность изменения амплитуды тока управления GM I в диапазоне от 0,01 А до 3 А. Это связано с тем, что существенное увеличение амплитуды тока управления GM I не приводит к значительному увеличению ППВ, так как при величинах GM I >1А изменение ППВ мало (рис. 3). Между тем существенное увеличение амплитуды тока управления GM I может привести к следующим негативным последствиям для конкретного СТ:– возможен существенный перегрев ТС в области УЭ, что при определенных условиях может усугубить влияние эрозионных процессов, приводящих к выходу СТ из строя;– тангенциальный ток в управляющей области основного УЭ создает на участкесвободном от металлизации напряжение Gu , которое противоположно по знаку напряжению управления выходного каскада, что в конечном итоге при использовании этих каскадов на основе эквивалентных импульсных источников напряжения приводит к уменьшению тока управления Gi и, соответственно, ППВ [5].Дальнейшие исследования позволят выработать рекомендации и методики по определению оптимальных величин параметров тока управления, при которых обеспечивается заданная diT/dt-стойкость СТ.