книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами
..pdfРис. 6. Осциллограмма коммутации тока мощным РВД.
7„ 1- —. соответственно ток в силовой цепи и ток накачки; Uti Ut —< соответственно остаточное напряжение и напряжение накачки; Р — мощность потерь в приборе.
нЪго заряда. Когда длительность задержки увеличи вается до 1.5—2 мкс, практически все приборы вы ходят из строя при коммутации тока в 2—3 кА вследствие сильной локализации процесса включе ния. Для иллюстрации коммутационных возможно стей РВД на рис. 6 приведены осциллограммы про цесса коммутации в приборе с конструкцией полу проводниковой структуры, подобной описанной выше, но имеющей площадь 20 см2 и рабочее напря жение 1.5 кВ. Прибор работает в квазидиодном ре жиме ((?дя^8*10~3 Кл) и коммутирует очень большой ток (~270 кА) при dl/dt > 7 5 кА/мкс. Остаточное напряжение (кривая Z7X) имеет очень небольшой всплеск на переднем фронте, и квазистационарное состояние устанавливается за ~ 4 мкс, что свидетель ствует об одномерном характере включения (у обыч-
ного тиристора этот процесс занял бы 100—150 мкс). Поэтому коммутационные потери па переднем фронте пренебрежимо малы (кривая Р) по сравнению с квазистационарными. Малость этих потерь и их равно мерное распределение по площади обусловливают уникальные коммутационные характеристики РВД. Следует отметить еще одну важную особенность — при работе в квазидиодном режиме задержка вклю чения после окончания тока пакачки равна пулю. Это обеспечивает строго синхронное включение лю бого количества последовательно и параллельно соединенных приборов при работе от одного генера тора накачки, т. е. позволяет создать генераторы импульсов практически неограниченной мощности.
Остальные характеристики РВД — соотношение между рабочим напряжением, временем выключения и остаточным напряжением в стационарном включен ном состоянии, dUldt — стойкость, температурные зависимости параметров — примерно аналогичны характеристикам""обычных мощных тиристоров.
Малая абсолютная и удельная величины потерь при включении РВД позволяют значительно поднять частотный предел при работе в режиме генерации непрерывных колебаний. Предельная рабочая ча стота приборов тиристорного типа ограничивается длительностью наиболее медленного из переходных процессов (процесса выключения) и величиной по терь в полупроводниковой структуре. Время выклю чения в'принципе может быть весьма малым (единицы микросекунд и менее). При этом, конечно, рабочее напряжение прибора относительно невысо кое (300—600 В), но предельная частота, ограничи ваемая tt, будет лежать в субмегагерцовом диапа зоне. Потери в полупроводниковой структуре скла дываются из двух составляющих: коммутационные потери при включении и выключении и квазистати-
ческие потери при прохождении прямого тока. Иа частоте в десятки килогерц в обычном тиристоре коммутационные потери являются преобладающими и именно они ограничивают частотный предел на уровне 10—15 кГц. Однако в РВД, как уже говори лось, коммутационные потери при включении очень малы; потери же при выключении практически отсут ствуют из-за обрыва обратного тока включаемым последовательно быстродействующим диодом. По этому рабочий ток должен слабо зависить от частоты, а частотный предел при соответствующем охлажде нии определяется в основном временем выключения.
Иа рис. 7, я, б приведены осциллограммы коммута ции тока синусоидальной формы, соответствующей частоте 66'кГц, высокочастотным РВД. Этот прибор имеет рабочую площадь ~ 3 .5 см2, напряжение переключения 800 В и время выключения 4 мкс.
Остальные |
параметры |
прибора: |
wh = |
90 |
мкм, |
ря= |
|
=15-|-20 |
Ом*см, |
= |
0.8—1 |
мкс, |
= |
30 |
мкм. |
Из рис. 7, б видно, что при амплитуде коммутируе
мого тока /„= 2 0 0 А и длительности тока накачки 0.5 мкс коммутационный всплеск при включении пол ностью исчезает при амплитуде накачки / й= 60 А (заряд Qnm2-10~5 Кл), но и при / Й= 30А величина всплеска сравнительно невелика. На рис. 8 показано распределение во времени потерь при коммутации синусоидального тока с /„ =100, 200, 300 А при I R= = 4 0 А. Видно, что коммутационные потери малы по сравнению с квазистатическими. На рис. 9 при ведена зависимость средней мощности потерь Рср
от амплитуды коммутируемого тока / т, соответствую щая реяшму работы прибора в двухъячейковом гене раторе с частотой 66 кГц, т. е. частота следования полусинусоидальных импульсов тока через РВД со ставляла 33 кГц, а длительность полусинусоиды
а
Рис. 7. Осциллограммы тока (а) и напряжения (б) на высоко частотном РВД.
i, г, 3 соответствуют аццлитуде тока накачки 30, 40 и 60 Д.
Рис. 8. Мощность потерь в высокочастотном РВД при комму тации синусоидального тока с амплитудой 100, 200 и 300 А (соответственно 2, 2, 3); ток накачки 40 А.
Рис. 9. Зависимость средних потерь в высокочастотном РВД от амплитуды коммутируемого синусоидального тока.
по основанию равна 7.5 мкс. Из этих данных следует, что в исследуемом приборе при амплитуде синусои дального тока 600 А средняя мощность потерь со ставляет -—-0.515 кВт. Такая мощность может быть отведена при двухстороннем водяном охлаждении с помощью обычных радиаторов, выпускаемых про
мышленностью, но |
при большом |
расходе |
воды |
|
(~6 |
л/мин). Более совершенные радиаторы с кана |
|||
лом |
типа «двойная |
спираль» позволяют |
отвести |
|
такую мощность при расходе воды |
около 1 л/мин. |
2. Реверсивно-управляемый транзистор
Реверсивно-управляемый транзистор (РУТ) [18, 19] представляет собой транзисторную n +p -N -n +- структуру без электрода управления (рис. 10). Процесс коммутации в РУТ происходит следую щим образом. В исходном состоянии внешнее сме щение U0 > 0 блокируется обратносмещенным кол лекторным р-А-переходом. Перевод во включенное состояние осуществляется, как и в РВД, кратко временной переменой полярности (реверсом) внеш него смещения. При этом низковольтный /г+-р- эмиттер пробивается, и через структуру протекает импульс тока накачки, создающий в прямосмещенной p-N-п* диодной части прибора три плазменных слоя подобно тому, как это было описано для РВД. Отличием здесь является то, что базовый р-слой транзистора легирован слабее, чем в РВД, и поэтому коэффициент инжекции р-А-перехода ниже. Это приводит к появлению заметного компонента элек тронного тока через барьер и образованию концен трационной волны электронов $*г в p -базе. После окончания импульса тока накачки на РУТ восста навливается первоначальная полярность напряже ния. При этом внешнее поле перемещает дырки из
Рис. 10. Полупроводниковая структура РУТ (а) и зонная диаграмма при нулевом смещении (6).
1 —<коллекторный электрод (анод); 2 —•протяженная область коллек тора; 3 —1 эмитторный электрод (катод).
плазменных слоев в р-базу, что приводит к пони жению потенциального барьера « +-р-эмиттера и инжекции электронов. Через прибор протекает элек тронный ток JF д о тех пор, пока избыточные дырки из плазменных слоев прорекомбинируют в р-базе с проходящими электронами, после чего ток обры вается. Таким образом, в отличие от РВД РУТ формирует не только передний, но и задний фронт коммутируемого импульса тока (рис. 11) подобно обычному транзистору. Роль истояника тока управ ления здесь играет плазменный слой, созданный током накачки JR равномерно по всей , площади прибора. Важнейшей характеристикой РУТ яв ляется коэффициент усиления по заряду:
f h it |
QF |
|
p Rd t ~ |
Q n’ |
(1) |
Рис. 11. Осциллограмма тока через РУТ при коммутации (а) и условное разбиение процесса коммутации (б).
РУ —. фаза реверсивного управлении; ВПП —>фаза высокой прямой проводимости; ОТ — фаза ограничения тока.
представляющий собой отношение заряда, прошед шего в силовой цепи, к заряду, прошедшему через цепь накачки.
Следуя [20], рассмотрим физические процессы, происходящие в РУТ при коммутации больших токов. При этом будем ограничиваться приборами с геометрическими и электрофизическими парамет рами слоев, характерными для мощных транзисто
ров с рабочим напряжением до 1 кВ, у которых толщина коллектора wn^ . 2-10“2 см, время жизни
дырок в нем |
^ М О ' 5 с и L=\/Z)xp ^ wn. |
Есте |
|
ственно, длительность At импульса |
силового |
тока |
|
Jr и тока пакачки JR должна быть |
меньше |
во |
избежание потери заряда вследствие рекомбинации. При Д£=(1—5)«10“° с характерная длина диффузии L = \ jD A ttt (3—7)*10~3 см, т. е. значительная часть коллекторного слоя не успевает заполниться диффу зионной плазмой высокой плотности, и определяю щим механизмом переноса является биполярный дрейф плазмы в поле, созданном протекающим током. Процесс пакачки в этих условиях уже рас сматривался для РВД; все полученные соотношения справедливы и для РУТ, если принять равными единице коэффициенты инжекции переходов диод ной р-7У'-тг+-частп структуры. Особенности, связан ные с отклонением от этого допущения, будут рас смотрены позже. После окончания процесса накачки
происходит изменение знака |
смещения на |
приборе |
||
в момент времени |
t= tn , и |
через |
прибор |
начинает |
протекать прямой ток JF. При этом меняются функ |
||||
ции диффузионных |
плазменных |
слоев |
и |
Теперь роль плазменного анода выполняет слой (рис. 12). Изменение направления поля вызывает формирование амбиполярной дрейфовой волны S/ за счет инжекции дырок плазменным слоем
При этом волна S r, занимавшая при накачке весь
интервал между слоями S i |
и |
отступает к катод |
||
ному слою S 1. В |
течение |
фазы |
высокой прямой |
|
проводимости (ВПП) происходит |
последовательное |
|||
истощение слоев <#°2» |
^ р |
плазменного резер |
||
вуара коллектора |
и |
затем, |
в последнюю очередь, |
и слоя S p в p -базе, что соответствует уже фазе спада прямого тока.
Рис. 12. Динамика плазменных слоев в РУТ при протекании силового импульса.
а —>эквивалентная схема; б —. форма профиля дрейфовых и диффузион ных концентрационных волн.
Баланс заряда дырок в процессе истощения слоя 2, инжекция из которого формирует плазменную
волну |
описывается выражением: |
|
1 |
Q2 ( t > t R ) — ^2 (/-/д) “ ь + 1 ^ (О- |
(2) |