Применение оптотиристоров в преобразовательных устройствах с фазовым регулированием

Обычные однооперационные тиристоры (SCR) являются одним из старейших классов «твердотельных» управляемых статических ключей, который, однако, не превзойден по показателям надежности и эффективности при использовании в преобразовательных устройствах различного назначения.

Несмотря на интенсивное развитие и относительное многообразие современных силовых электронных приборов, SCR продолжают уверенно занимать свою нишу в силовой электронике, в первую очередь, в технике больших и сверхбольших мощностей.

Тиристоры условно разделяются на симметричные и асимметричные. В подавляющем большинстве применений полупроводниковый прибор должен выдерживать обратное напряжение и иметь симметричную или квазисимметричную вольт-амперную характеристику в выключенном состоянии. К таким применениям относятся самые массовые и энергоемкие устройства современной силовой электроники — преобразователи и регуляторы с фазовым управлением, например регулируемые выпрямители [1-3]. Асимметричные тиристоры используются лишь в сравнительно ограниченном ряде преобразовательных систем, где от прибора не требуется блокирующей способности в обратном направлении.

Оптронные SCR представляют собой специальный тип симметричных полупроводниковых силовых приборов, которые могут наиболее эффективно использоваться в преобразовательных устройствах с фазовым управлением. Оптотиристор — это полупроводниковая сборка [4], которая состоит из двух элементов, объединенных в одну конструкцию: силового кремниевого (Si) фототиристора и управляющего светодиода малой мощности на основе арсенида галлия (GaAs). Оптическая развязка силовой и информационной частей позволяет не только упростить управление таким тиристором, но и значительно повышает помехоустойчивость преобразователей большой мощности и систем автоматического управления на их основе, в частности, высоковольтных систем. Управляющие драйверы для приборов с развязкой по оптическому каналу, как правило, имеют более простое устройство и меньшую мощность по сравнению с драйверами обычных тиристоров с выведенным электродом управления.

Необходимая для переключения фототиристора мощность светового потока зависит от глубины залегания переходов под поверхностью кристалла, скорости поверхностной и объемной рекомбинации носителей зарядов и возрастает с увеличением длины волны. Эффективность фотогенерации носителей определяется не только спектром излучения используемого светодиода, но и конструктивными особенностями прибора: диаграммой направленности; углами и местом падения пучка излучения; соотношением площади оптического окна и общей площади кристалла; устройством светового канала и свойствами используемых материалов.

Структура фототиристора практически ничем не отличается от структуры обычного тиристора с управляющим электродом, за исключением возможного изменения глубин залегания и степени легирования отдельных слоев для снижения, например, величины требуемого заряда управления. В настоящее время доступны дискретные низкочастотные приборы и оптотиристорные модули на токи до 1 кА и напряжения до 2,4 кВ, что позволяет создавать управляемые устройства с выходной мощностью в несколько мегаватт (для напряжений стандартных промышленных сетей 50, 60 и 400 Гц). Ведутся также разработки быстродействующих оптронных тиристоров на рабочие частоты выше 500 Гц. Достигнутый уровень серийных промышленных разработок отражает таблица 1 (здесь и далее использована стандартная система условных обозначений параметров [4, 5] тиристоров) [6-9].

Таблица 1. Паспортные электрические параметры сильноточных оптотиристорных модулей

В статье [11] проанализировано поведение структур SCR на средние токи при одновременном воздействии сигнала управления (i_FG≠0) и обратного напряжения (U_R≠0).

Для полноты исследования необходимо рассмотреть еще один вопрос. Тиристоры на большие токи и с большими диаметрами кристаллов, как правило, выполняются со встроенным в основную структуру дополнительным усилителем тока управления, так как для равномерного и быстрого включения всей полупроводниковой структуры необходимо обеспечить соответствующую его величину. Усовершенствование фактически состоит в интеграции вспомогательного маломощного тиристора между управляющим электродом и анодом основного силового тиристора. Такие приборы получили название «тиристоров с регенеративным управляющим электродом». Кроме того, часто в мощных приборах выполняют специальную шунтировку путем металлизации части поверхности тонкой базы, что позволяет повысить стойкость прибора к повышенной скорости нарастания напряжения du_D/dt в прямом направлении. Схемотехнически это представляется включением между управляющим электродом тиристора и его катодом «резистора» заданной величины (рис. 1). На самом деле указанный резистор является распределенным элементом. Для фототиристора структура с регенеративным управляющим электродом изображена на рис. 2. На этом же рисунке дана и его эквивалентная электрическая схема. На рис. 1, 2 катод вспомогательного тиристора обозначен как К’, а управляющий электрод основного тиристора как G’. Управляющий электрод G’ основного силового тиристора находится внутри корпуса, и к нему нет доступа извне прибора.

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема тиристора с регенеративным управляющим электродом

Рис. 2. Силовой оптотиристор с регенеративным управляющим электродом: а) упрощенная структура; б) эквивалентная электрическая схема

Исследованные в упомянутой выше статье [11] оптотиристоры на ток I_T(_AV) = 80 А имели кристаллы без встроенного дополнительного усилителя тока управления, то есть конструкцию с так называемым обычным управляющим электродом. Однако приборы, например, типа М2Т0Т0-80 (Т0242-80) серийно выпускаются в двух модификациях: с обычным и регенеративным электродом управления. На рис. 3, для сравнения, представлены обе конструкции кристаллов фототиристоров — М2Т0Т0-80 (Т0242-80) и М2Т0Т0-80* (Т0242-80*). Видно, что площадь оптического окна структуры с регенеративным управляющим электродом несколько меньше по величине, чем для такого же прибора без усиления сигнала управления. Так как общая площадь кристалла данного оптотиристора сравнительно мала, регенеративный электрод имеет форму простого кольца.

Рис. 3. Внешний вид структур фототиристоров модулей М2ТОТО-80-12 и М2ТОТО-80-12*

Результаты измерений токов утечек I_RRM в различных режимах для модификации приборов М2Т0Т0-80-12* с регенеративным управляющим электродом представлены в таблице 2. Здесь же приведены данные на мощные оптотиристорные модули МТ0Т09/3-250-16 [8] и обычный высоковольтный тиристор с регенеративным управляющим электродом типа Т353-800-32 [10].

Таблица 2. Результаты испытаний оптотиристорных модулей с регенеративным управляющим электродом

Примечание. Знаком (*) отмечены паспортные параметры на соответствующие типы приборов.

Характер зависимостей для тиристоров с регенеративным электродом, в общем, не изменяется. Однако из данных таблицы 2 следует, что конструкция с регенеративным управляющим электродом, кроме известных, и здесь имеет преимущества. Наличие распределенного шунтирующего резистора, снижение необходимого для включения структуры заряда и его относительная локализация существенно ограничивают обратные токи утечек I_RRM.

Для модулей М2Т0Т0-80-12* отпирающие постоянные токи (I_GT) управления остались на уровне токов обычных приборов без усиления сигнала управления (М2Т0Т0-80-12), что обусловлено уменьшением эквивалентной площади оптического окна (рис. 3) и, следовательно, снижением величины полезно используемой энергии излучения светодиода. Но обратные токи утечек (I_rrm) для приборов с регенеративным управляющим электродом, при прочих равных условиях (i_FG≠0), приблизительно в 1,7-2,0 раза ниже, чем для аналогичных приборов без дополнительного усиления. Таким образом, конструкция прибора М2ТОТО-80-12* с дополнительным интегрированным усилителем сигнала управления предпочтительнее обычной конструкции М2ТОТО-80-12. Однако недооценивать отрицательное влияние рассмотренного эффекта роста обратных токов утечек I_RRM и в этом случае нельзя. Паспортные величины 4-дм* все равно превышаются.

Для оптотиристоров модулей МТОТО9/ 3-250-16 токи утечек I_RRM при комнатной температуре структуры (Tj = 25 °С) оказались, как видно, близкими к паспортным значениям Irrm*, несмотря на то, что их не превысили.Для мощного высоковольтного тиристора с выведенным регенеративным управляющим электродом Т353-800-32 обратный ток утечки Irrm при подаче сигнала управления (i_FGφ 0) и низкой температуре (Tj = 25 °С) оказывается в пределах нормы, установленной паспортом I_RRM* (>70 мА). Ток управления i_FG для тиристоров Т353-800-32 имеет другой порядок величин, и его значения в режимах измерений выделены в соответствующих графах для Irrm. Ток утечки I_RRM для прибора с выведенным управляющим регенеративным электродом также заметно возрастает при увеличении тока управления i_FG до уровня I_GT*.

Повышение температуры структуры Tj для МТОТО9/3-250-16 до предельного значения (Tj = Tj_m = 100 °С) вызывает даже некоторое снижение токов утечек (табл. 3) в обратном направлении I_R (Irrm). Приборы, таким образом, обладают относительной тепловой стабильностью свойств. Суммарный ток утечки I_R оптотиристора в обратном направлении складывается из тепловой и оптической составляющих, имеющих ограниченные величины. То есть также имеет место самоограничение токов I_R, Irrm.

Совсем иначе ведут себя тиристоры с выведенным управляющим электродом при одновременном воздействии сигнала управления (i_FG≠0), обратного напряжения (U_R≠0) и повышенной температуре (TJ = Tj_m) структуры. По данным таблицы 3 видно, что, например, для выбранного образца тиристора Т353-800-32 при отсутствии сигнала управления (i_FG = 0) и максимальной температуре структуры (Tj = Tj_m = 125 °С) обратный ток утечки I_RRM равен всего 7 мА. Однако при токе управления i_FG, близком к значению отпирающего постоянного тока управления I_GT и максимальной температуре структуры (Tj = Tj_m), обратный ток утечки I_R возрастает до 115 мА при обратном напряжении U_R, составляющем всего 2400 В (75% от U_RRM). То есть величина обратного тока утечки I_R даже при пониженном напряжении U_R существенно превышает паспортное значение Irrm*. Подобным образом ведет себя и тиристор на средний ток типа Т242-80-12.

Таблица 3. Результаты сравнительных испытаний оптотиристорных модулей и обычных тиристоров с регенеративным управляющим электродом

Примечание. Знаком (*) обозначены паспортные параметры на соответствующие типы приборов.

Следует заключить, что эффект роста обратных токов утечек I_R, I_RRM для тиристоров обычных конструкций с выведенным управляющим электродом при повышении температуры структуры Tj имеет явно выраженный характер системного или сверхаддитивного (синергетического) эффекта.

Таким образом, можно сделать вывод о своего рода тепловой нестабильности структур обычных тиристоров с управляющим электродом в рассмотренных режимах, которая может снижать надежность работы преобразовательных устройств с их использованием.

Для тиристоров Т242-80-12 паспортное значение постоянного отпирающего тока управления I_gt равно 150 мА, а для тиристоров Т353-800-32 составляет 300 мА. В практических системах импульсы тока управления i_FG для этих приборов могут иметь амплитуды более 1 А. Соответственно, вырастут и амплитуды обратных токов утечек I_R. Температура же структуры T_J работающего тиристора всегда повышенная. Приборы в этом случае нельзя будет использовать при установленных паспортных рабочих напряжениях U_RWM.

Необходимо отметить, что мощность потерь от протекающих через структуру неограниченных обратных токов утечек (I_R, I_RRM) выделяется на отдельных ее участках крайне неравномерно. Это может приводить к наиболее опасным процессам локальных перегревов отдельных частей структуры и быстрой их тепловой деградации, несмотря даже на сравнительно лучшие условия отвода энергии потерь в полупроводниковых кристаллах больших размеров.

Автор выражает признательность H. Вильяновой и О. Фролову из ОАО «Электровыпрямитель» за помощь при проведении измерений.

Литература

1. Донской Н. В., Иванов А. Г., Никитин В. М. и др. Управляемый выпрямитель в системах автоматического управления / Под ред. А. Д. Поздеева. М.: Энергоатомиздат, 1984.
2. Глинтерник С. Р. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами. Л.: Энергоатомиздат, 1988.
3. Уильямс Б. В. Силовая электроника: приборы, применение, управление / Пер. с англ. М.: Энер-гоатомиздат, 1993.
4. Замятин В. Я., Кондратьев Б. В., Петухов В. М. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры / Справочник. М.: Радио и связь, 1988.
5. Чебовский О. Г., Моисеев Л. Г., Недошивин Р. П. Силовые полупроводниковые приборы / Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1985.
6. Модули тиристорные и оптотиристорные: МТОТО-40(5П103ТТ-40); МТОТО-80(5П103ТТ-80); МТОТО-100(5П103ТТ-100). www.proton-impuls.ru
7. Модули силовые полупроводниковые типов: МТОТО-100; МТОТО-125; МТОТО-160; (ТУ 1691 ИЖТШ. 435000.009 ТУ). www.optron-stavropol.ru
8. Модули оптотиристорные: МТОТО9/3-200; МТОТО9/3-250 (ТУ У 32.1-30077685-019-2005). www.element.zp.ua
9. Модули силовые оптотиристорные на токи 500-1000 А прижимной конструкции: СмМТОТО-500; СмМТОТО-630; СмМТОТО-800; СмМТОТО-1000 (КИАФ. 432312.021ТУ). www.lavmsme.ru
10. Полупроводниковые приборы силовой электроники / Краткий каталог ОАО «Электровыпрямитель». Ульяновск: Ульяновский дом печати, 2007.
11. Силкин. Е. Оптронные тиристоры в управляемых выпрямителях большой мощности // Компоненты и технологии. 2009. № 11.