Предельно допустимые значения и характеризующие параметры тиристоров

Параметры силовых полупроводниковых приборов разделены на две группы: предельно допустимые значения и характеризующие параметры. Под допустимым значением следует понимать значение любой электрической, тепловой, механической величины, относящейся к окружающей среде, определяющее условия, при которых ожидается удовлетворительная работа прибора.

Предельно допустимое значение - это допустимое значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, за пределами которых прибор может быть поврежден. Предельная способность и предельное условие могут быть максимальными и минимальными. Предельно допустимые значения устанавливаются на основе опыта, испытаний или расчетов.

Характеризующий параметр - значение электрической, тепловой или механической величины, которое характеризует соответствующее свойство прибора. Характеризующие параметры могут измеряться непосредственно или косвенно.

В действующем ГОСТе принята следующая система условных обозначений. Для обозначения величин (основные буквы) принято использовать прописные буквы (кроме мгновенных значений, для обозначения которых используются строчные). Индексы обозначаются преимущественно прописными буквами.

A - вывод анода

AV (AV) - среднее значение

(BO) - соответствует переключению

(BR) - соответствует пробою

D, d - закрытое состояние, в качестве второй буквы - неотпирающий

F - прямое направление (относится к диоду)

G, g - вывод управляющего электрода

H - соответствует удержанию

K - вывод катода

L - соответствует включению

M - основной вывод, импульсное (амплитудное) значение

O - разомкнутая цепь

(OV) - соответствует перегрузке

Q - запирающий

R, r - обратное направление, в качестве второй буквы - повторяющийся, соответствует восстановлению

RMS, (RMS) - действующее значение

S - короткозамкнутая цепь, в качестве второй буквы - неповторяющийся

T - открытое состояние тиристора, в качестве второй буквы - отпирающий

(TO) - пороговый

W - рабочий

com - коммутационный

crit - критическое значение

d - задержка

f - спад

m - максимально допустимое значение

min - минимально допустимое значение

r - нарастание

s - запаздывание

t - включение

tot - общее (суммарное) значение

К основным параметрам тиристоров стандарт относит следующие.

1. Повторяющиеся и неповторяющиеся импульсные напряжения. По характеристике, приведенной на рисунке 43, видно, что при превышении определенного обратного напряжения U_(BR) у тиристора обратный ток может достигать больших значений, что приводит к выходу прибора из строя. Если превысить определенное значение прямого напряжения в закрытом состоянии U_(BO) , то он переходит в открытое состояние без подачи управляющего сигнала, что при работе преобразователей является аварийным режимом.

Рис.43. Количественные характеристики основных параметров по напряжению.

Класс полупроводникового прибора определяется по наименьшему из значений повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии U_DRM . U_RRMи U_DRM .определяются путем умножения на коэффициент меньше единицы напряжений пробоя и переключения. Конкретное значение коэффициента определяет изготовитель. Число сотен вольт этих напряжений определяет класс прибора. Для предотвращения повреждения тиристоров в переходных режимах от коммутационных напряжений в справочниках приводят значения допустимых неповторяющихся напряжений U_RSMиU_DSM. Рабочие напряжения выбираются обычно с запасом. Это напряжения U_RWMи U_DWM.

2. Максимально допустимый средний ток . Это среднее за период значение прямого тока в однофазной однополупериодной схеме с активным сопротивлением нагрузки. Этот параметр определяется условиями работы тиристора. Возможно несколько значений. Максимально допустимый средний ток при заданной температуре корпуса - I_TAVm. Этот ток определяется пороговым напряжением, дифференциальным сопротивлением, температурными условиями. Он может задаваться и для определенных условий охлаждения, для определенных условий работы. В последнем случае учитывается дополнительно форма кривой тока.

В отдельных случаях при хороших условиях охлаждения возможен ток выше I_TAVm,но в любом случае он не должен превышать максимально допустимое действующее значение 1,57 I_TAVm. В ряде случаев регламентируется допустимый ток при определенной длительности импульса тока и определенной частоте. При частоте , отличной от 50 Гц, допустимый средний ток снижается из-за дополнительных потерь при повышенных частотах и повышения амплитуды импульсов тока при пониженных частотах.

3. Характеристики управляющего электрода. Амплитуда и длительность управляющих импульсов ограничены рядом требований. Для определения зон гарантированного отпирания приборов снимаются зависимости тока через управляющий электрод от прямого напряжения управления (входные характеристики ) для приборов с максимальным и минимальным входным сопротивлением R_Gm , R_Gmin.

Рис.44. Характеристики управляющего электрода.

Процесс отпирания тиристора тем успешнее, чем шире импульс или выше его амплитуда. При этом, однако, не должна быть превышена мощность в управляющем p - n переходе. Минимальные значения напряжения U_GT и тока I_GTцепи управления ограничены значениями U_GTmin и I _GЕmin при которых возможно неоткрытие части тиристоров серии. Длительность управляющего импульса (10 – 50 мкс) £ t_G4 < t_G3 < t_G2 < t_G1.

4. Характеризующие параметры перегрузочной способности. Для оценки возможности воздействия аварийных токов на полупроводниковый прибор без последующего воздействия напряжения используется значение ударного тока при открытом состоянии. Он должен быть больше расчетного значения ударного тока при коротком замыкании нагрузки. Изготовитель приводит зависимость максимально допустимой амплитуды ударного тока аварийной перегрузки I_TSmот ее длительности в интервале от 10 до 200 мс. При выборе защиты необходимо, чтобы характеристики защиты проходили ниже характеристик вентилей. Перегрузки допускаются ограниченное число раз.

5. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии. При включении тиристора процесс распространения проводящей зоны начинается вблизи управляющего перехода и идет со скоростью 30 - 100 м/с. Поэтому каждый прибор характеризуется критической скоростью нарастания тока в открытом состоянии. Предприятия - изготовители устанавливают гарантированное значение di_T/dt.

6. Максимальная и минимальная температура перехода. Электрические параметры полупроводниковых приборов зависят от температурного режима. Превышение определенного предела приводит к снижению класса прибора, росту токов утечки и времени включения, снижению помехоустойчивости и т.д. Заданы два значения предельных температур. Максимально допустимая температура - это температура, которая не должна быть превышена в длительных режимах эксплуатации. Минимально допустимая температура определяет предел, ниже которого не допускается не только работа, но и хранение прибора. Минимальная температура не должна быть ниже (- 50 - 60^о С). Максимальная температура зависит от конструкции.

7. Характеризующие параметры тиристоров в состоянии высокой проводимости. Основным параметром, характеризующим состояние высокой проводимости, является импульсное напряжение в открытом состоянии. Этот параметр измеряется при нормальной температуре и токе 3,14 I_ATVm . Отрезок, отсекаемый линией аппроксимации на оси абсцисс, численно равен пороговому напряжению U_T(TO) , а котангенс угла, под которым эта линия пересекает ось абсцисс, есть дифференциальное сопротивление r_T.

прямо пропорционально толщине кремниевой структуры и обратно пропорционально ее площади. С ростом температуры U_T(TO) уменьшается, а r_T растет.

8. Обратный ток и ток в закрытом состоянии I_RRm и I_DRm. 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 носителей и искусственной шунтировкой , используемой как метод улучшения отдельных параметров прибора. При большом напряжении этот ток может возрасти до значений, при которых мощность, выделяемая на отдельных участках структуры прибора, может привести к перегреву , способному разрушить тиристор. Обратный ток и ток в закрытом состоянии являются одними из основных параметров-критериев годности тиристора. В процессе эксплуатации эти параметры контролируются, за счет чего можно выявлять ненадежные тиристоры.

а) б)

Рис. 46. Характеристика процесса включения (а) и выключения (б) тиристора

Рис.47. К определению термина «ток включения»: I_G1 < I_G2 < I_G3 – отпирающий ток управления; I_н– ток удержания

9. Токи удержания и включения I_H и I_L . 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. Такое минимальное значение называется током удержания I_H . Ток удержания возрастает с ростом температуры, поэтому в справочниках приводится его значение для всего диапазона рабочих температур.

При включении тиристора управляющим сигналом определенной амплитуды и длительности тиристор включится только тогда, когда ток в открытом состоянии превысит определенное значение, называемое током включения I_L . Ток включения зависит от амплитуды и ширины управляющего импульса: чем они больше, тем ток включения ближе к току удержания. При коротких импульсах (менее 50 мкс) и амплитуде, близкой к отпирающему значению тока, значение тока включения может быть в несколько раз больше тока удержания.

10. Временные характеристики процессов включения и отключения. Время включения состоит из времени задержки и времени нарастания тока:

t_gt = t_gd+t_gr (Рис.46). Время задержки зависит в основном от амплитуды тока управления и длительности его фронта. Время нарастания зависит от амплитуды тока в открытом состоянии и увеличивается с ее возрастанием. Время включения для тиристоров одного и того же типа не одинаково. В справочниках дается максимальное значение этого параметра.

Чтобы уменьшить перегрузку тиристоров в преобразователе, вызванную разбросом времени включения, необходимо использовать отпирающие импульсы с коротким фронтом и большой амплитудой (скорость нарастания тока управления не менее 1 А/мкс, амплитуда - не менее 1 А).

Для ряда преобразовательных схем имеет значение время выключения тиристора t_q (Рис.46,б).Оно зависит от величины тока в открытом состоянии, скорости его спада, амплитуды и скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, температуры перехода.

Имеет значение и время восстановления t_rr. При переводе тиристора в непроводящее состояние под действием обратного напряжения в течение определенного времени обратный ток возрастает до значений, превышающих статическое, и при этом тиристор не способен воспринимать обратное напряжение.

Время восстановления определяет частотные свойства тиристора.

11. Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии. При приложении к тиристору напряжения в закрытом состоянии при большой скорости его нарастания через тиристор протекает емкостной ток, определяемый емкостью центрального перехода. Этот процесс сопровождается инжекцией неосновных носителей крайними переходами, отчего создаются предпосылки для включения тиристора. Поэтому критическое значение du_D /dt нормировано.

12. Тепловые параметры. Тепловые потери, возникающие при прохождении тока через тиристор, выделяются в основном в небольшом объеме полупроводниковой структуры. Далее тепловой поток проходит через ряд слоев различных материалов. При этом каждый слой оказывает свое тепловое сопротивление, вследствие чего создаются перепады температур. В справочниках приводится переходное тепловое сопротивление переход-корпус и переход-среда, которое позволяет рассчитать температуру перехода при определенных параметрах охладителя.

13. Ударная мощность обратных потерь. Лавинные приборы при эксплуатации могут выдерживать значительные перегрузки по току в обратном направлении. Основной характеристикой при этом является мощность обратных потерь P_RSM. В справочниках дана зависимость этой мощности от длительности импульса обратного напряжения и частоты следования импульсов.