CC BY
14УДК 621.373
Фисенко А.Л.
инженер-конструктор ПАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск, Россия)
ДИНИСТОР С ИНТЕГРИРОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ И С РАЗДЕЛЕНИЕМ МЕТАЛЛИЗИЦИИ ПО ПЕРИМЕТРУ
Аннотация: в работе построена структурная модель динистора с интегрированным управлением, позволяющая переключать динистор в высокопроводящее состояние перенапряжением не менее 1 кВ/нс равномерно по всей площади прибора, а также предложено разделение металлизации по периметру для уменьшения влияния скин-эффекта и краевых полей на переключение динистора резким перенапряжением.
Ключевые слова: силовая электроника, импульсная электроника, РВД, ДГУ, ДУИ,
динистор.
В настоящее время широко развиваются современные импульсные технологии в силовой электронике, оптимизируются технологии производства и совершенствуются переключатели для мощных, быстро нарастающих импульсов тока. Большой интерес представляют научные разработки, разработанные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе: реверсивно -включаемый динистор (РВД), динистор с глубокими уровнями (ДГУ), динистор с ударной ионизацией (ДУИ) [1].
Известен динистор (Патент №RU197597 на изобретение "Динистор" // Опубл. 15.05.2020) [2], представляющий собой четырехслойную р+-п-р-п+-структуру с анодным р+-эмиттером и катодным п+-эмиттером, которые замыкаются шунтами со встроенными обратными диодами. Известный динистор переходит в высокопроводящее состояние за несколько наносекунд.
Переключение происходит вследствие резкого перенапряжения со скоростью нарастания не менее 1 кВ/нс.
При наносекундных импульсах тока большое влияние на равномерность переключения динистора оказывает скин-эффект, из-за чего структура переключается неравномерно по площади [3 ]. Также возможна локализация тока на малой площади с меньшей шириной базы из-за неравномерности операций шлифования полупроводниковой пластины, дефектов структуры и неравномерной диффузии.
Наличие зоны управления (управление в центре конструкции и с возможным разветвлением по площади) позволит динистору переключаться перенапряжением равномерно по всей площади. В известном патенте (Патент №RU2697874 на полезную модель "Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением" // Опубл. 21.08.2019) [4] уже представлена конструкция динистора со встроенным управлением РВДТ (Реверсивно -включаемый динистор с интегрированным управлением), но данная конструкция предназначена для структур РВД, коммутация которых осуществляется в результате реверса блокируемого напряжения и пропускания короткого импульса управляющего тока через встроенную систему обратных каналов проводимости. При этом в центральной области диода-тиристора расположен несимметричный тиристор с регенеративным управляющим электродом. Для динистора с интегрированным управлением необходима диодная структура под областью управления для коммутации зарядов перед переключением структуры перенапряжением (диодная структура необходима для блокировки переключения структуры динистора под областью управления; конструкция представлена в различных вариантах на рис.1 и рис.2); также возможно использование РВДТ для переключения перенапряжением с предварительной коммутацией зарядов в области управления, но для уменьшения влияния dU/dt под зоной управления необходима шунтирующая конструкция (динистор с интегрированным шунтированным управлением, конструкция представлена в различных вариантах на рис.3 и рис.4) [5].
Рис.1 Динистор с интегрированным управлением прямой полярности.
Рис.2 Динистор с интегрированным управлением обратной полярности.
Рис.3 Динистор с интегрированным шунтированным управлением
прямой полярности.
Рис.4 Динистор с интегрированным шунтированным управлением
обратной полярности.
Рис.5 Динистор с интегрированным управлением прямой полярности, вид со стороны катода: вид сверху - структура с металлизацией 1, вид снизу - структура без металлизации 1.
На рис.5 представлен вариант структуры центральной части динистора с интегрированным управлением (вид со стороны катода разделён на две части: сверху - структура с металлизацией 1, снизу - структура без металлизации 1): 1 - металлизация, 2 - п+-структуры управления, 3 - р+-структуры управления, 4 -основная диодная п+-п-р-р+-структура, 5 - основная динисторная p+ -n-p-n+-структура.
Принцип работы динистора со встроенной системой управления аналогичен ДГУ и ДУИ [6]: на анод (Anode) и катод (Cathode) подается высокое напряжение (динистор находится в закрытом состоянии) и затем резким перенапряжением ДГУ и ДУИ переключаются; отличие динистора с интегрированным управлением от ДГУ и ДУИ в том, что на имеющееся управление (Gate) перед перенапряжением подается малый ток (импульсный или постоянный) с полярностью в соответствии с рис.1 -4 (этот ток недостаточен для открытия динистора, но необходим для коммутации зарядов в приповерхностной структуре динистора между управлением и катодом); затем напряжение (перенапряжение) резко возрастает со скоростью нарастания не менее 1 кВ/нс, в результате чего динистор переключается.
Основное отличие динистора с интегрированным управлением от ДГУ, РВД и ДУИ состоит в том, что динистор с интегрированным управлением начинает переключение при наносекундном нарастании перенапряжения из около зоны управления и тем самым исключает скин-эффект и локальные дефекты структуры, за счёт чего переключение основной структуры динистора с интегрированным управлением будет равномернее по площади и с меньшими коммутационными потерями.
Второй вариант снижения влияния скин-эффекта и краевых полей на переключение ДГУ и ДУИ резким перенапряжением, помимо интегрирования управления, это увеличение диаметра прибора и увеличение ширины краевой фаски структуры динистора с применением технологии разделения металлизации по примеру запирающего тиристора RC^ТО [7] (на рис.6 представлена возможная конструкция краевой области динистора с диодной структурой под фаской [1]). Для динистора прямой полярности металлизация близко к краю фаски на катоде разделяется кольцом диэлектрика 6, структура динистора под диэлектриком 6 тоже разделяется: в первом варианте - кольцом р+-п-р-п+-структуры 8 (рис.6.1), во втором варианте - кольцом п+-п-р-р+-структуры между двух колец р+-п-р-п+-структур 9 (рис.6.2).
^ \ Anode +
Рис.6.1 Краевая область динистора прямой полярности с разделением металлизации 8 кольцом р+-п-р-п+-структуры.
СлМог/р
\Anode_ *
Рис.6.2 Краевая область динистора прямой полярности с разделением металлизации 9 кольцом п+-п-р-р+-структуры между двух колец р+-п-р-п+-структур.
/ 10
Рис.7 Динистор прямой полярности с разделением металлизации кольцом р+-п-р-п+-структуры 8, вид краевой области со стороны катода: вид сверху - структура с металлизацией 1, вид снизу - структура без металлизации 1.
На рис.7 представлен вид структуры динистора прямой полярности с разделением металлизации около фаски кольцом р+-п-р-п+-структуры 8 (вид со стороны катода разделён на две части: сверху - структура с металлизацией 1, снизу - структура без металлизации 1): 10 - фаска, 11 - кольца p+-n-p-n+-структуры в области 8, 12 - основная диодная п+-п-р-р+-структура, 13 - основная динисторная р+-п-р-п+-структура. 14 - кольцо п+-п-р-р+-структуры в области 8.
Динистор собирается в сборку с контактными элементами сборки (металлический диск или металлическая прокладка) 7 (рис.6). На рис.6 показано, что элемент сборки 7 закорачивает разделённую металлизацию 1. Для динистора обратной полярности разделение металлизации будет аналогично динистору прямой полярности. Так как кольца р+-п-р-п+-структур в области 8 и 9 не закорочены на металл, данный способ разделения металлизации позволит сместить начало переключения динистора резким перенапряжением от края периметра и от около-краевой области 8 и 9 к центральной области состоящей из р+-п-р-п+-структуры динистора с включениями диодной п+-п-р-р+-структуры в виде шунтов [1].
Динистор с интегрированным управлением для применения как ДГУ или ДУИ, по аналогии с РВДТ (реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением) возможно назвать ДГУТ (динистор с глубокими уровнями с интегрированным управлением) или ДУИТ (динистор с ударной ионизацией с интегрированным управлением). Так же возможно замещение тиристора RC-GTO динистором с интегрированным управлением из данной статьи, так как структурно они одинаковы, отличаются только типом разветвления системы управления и способом интеграции диодной структуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Коротков С.В., Аристов Ю.В., Коротков Д.А., "Сравнительное исследование субмикросекундных переключателей на основе реверсивно
включаемых динисторов и динисторов с глубокими уровнями" - Приборы и техника эксперимента, 2012, № 3, с. 91-94.
2. Коротков С.В., патент РФ №RU197597 на изобретение "Динистор" // Опубл. 15.05.2020. Бюл. № 14.
3. Косыгин О.А., Чупис В.Н., Сомов А.Ю., "Особенности скин-эффекта при распространении мощного КВЧ излучения в частично ионизированной полупроводниковой плазме" - Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 5, с. 135-136.
4. Елисеев В.В., Гришанин А.В., Мартыненко В.А., Плотников А.В., Хапугин А.А., патент РФ №RU2697874 на полезную модель " Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением" // Опубл. 21.08.2019. Бюл. № 24.
5. Fisenko A.L., "Dinistor with integrated control" - zenodo.org, doi: 10.5281/zenodo.10051649, публ. 29.10.2023.
6. Коротков С.В., Аристов Ю.В., Воронков В.Б., "Сравнительное исследование динисторов с ударной ионизацией" - Приборы и техника эксперимента, 2019, № 2, с. 28-32.
7. Jaecklin A.A., Power Semiconductor Devices and Circuits 1992 с. 406.
Fisenko A.L.
design engineer PJSC ELECTROVIPRYAMITEL (Saransk, Russia)
DINISTOR WITH INTEGRATED CONTROL AND WITH PERIMETER SEPARATION OF METALLIZATION
Abstract: in this work, a structural model of a dinistor with integrated control has been constructed, which makes it possible to switch the dinistor into a highly conductive state with an overvoltage of at least 1 kV/ns evenly over the entire area of the device, and also proposed separation of metallization along the perimeter to reduce the influence of the skin effect and edge fields on the switching of the dinistor by a sudden overvoltage.
Keywords: power electronics, pulse electronics, RCD, DLD, SID, dinistor, RC-GTO.
