CC BY
341Применение оптотиристоров
в преобразовательных устройствах с фазовым регулированием
Одновременное воздействие температуры, тока управления и обратного напряжения на тиристоры с выведенным управляющим электродом обычных конструкций вызывает синергетический эффект резкого возрастания обратных токов утечек через прибор, что в реальном работающем устройстве ведет к выходу его из строя. Силовые оптотиристоры могут наиболее эффективно использоваться в преобразовательных системах с фазовым управлением и регулированием. Повышенная помехоустойчивость и тепловая стабильность свойств оптронных тиристоров относятся к их потенциальным преимуществам. Рекомендации настоящей статьи применимы к устройствам на опто- и фототиристорах и обычных тиристорах с управляющим электродом.
Евгений Силкин, к. т. н.
elsi-mail@ya.ru
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.
Т иристоры условно разделяются на симметричные и асимметричные. В подавляющем большинстве применений полупроводниковый прибор должен выдерживать обрат-
ное 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 ф) 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
Таблица 1. Паспортные электрические параметры сильноточных оптотиристорных модулей
Тип п а р о б ри
Параметр 5П103ТТ-100 (ЗАО «Протон-Импульс», Россия) МТОТО-160 (ОАО «Оптрон-Ставрополь», Россия) МТОТО9/3-250 (ООО «Элемент-Преобразователь», Украина) СмМТОТО-1000 (ОАО «КЭТЗ Диод», киргизия)
UDRM/URRM, B 800-1200 400-1600 0 о 6 о о 400-2400
UDSM/URSM, B 900-1300 450-1800 450-1800 450-2640
IT(AV), A 100 160 250 1000
ITSM, ^ 1,50 (10 мс) 3,20 (10 мс) 6,00 (10 мс) 24,0 (10 мс)
Uiz, кВ 2,84 2,50 2,50 2,50
U-гм, В 1,75 2,00 1,65 (785 А) 2,00 (3100 А)
IDRM/IRRM, мА 6/6 (125 Т) 15/15(100 Т) 20/20 (100 Т) 50/50 (125 Т)
(dUD/dt)CTit, В/мкс 100 1000 50-1000 20-1000
(diD/dt)CTit, A/мкс 160 70 - 200
IGT, мА 60 (25 Т) 80 80 (25 Т) 250 (25 Т)
IGTM2 мА - 250 250 300
Ugt, B 1,6 2,5 1,8 -
Ugd, B 0,80 0,90 0,9 -
tq, мкс 150 100 - -
Tjm 125 100 100 125
Rthic2 "С/Вт 0,30 0,15 0,105 0,035
W, кг 0,14 0,50 0,30 4,15
SJ Т vsi ,K'G’ } ] R Г vs
Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема тиристора с регенеративным управляющим электродом
Q, к, Светодиод
Металлизация
Л
LED
0r
и
vs
Рис. 2. Силовой оптотиристор с регенеративным управляющим электродом: а) упрощенная структура; б) эквивалентная электрическая схема
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].
В статье [11] проанализировано поведение структур SCR на средние токи при одновременном воздействии сигнала управления (iFG Ф 0) и обратного напряжения (UR Ф 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 duD Idt 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.
Исследованные в упомянутой выше статье [11] оптотиристоры на ток 1т(Ау) = 80 А имели кристаллы без встроенного дополнительного усилителя тока управления, то есть конструкцию с так называемым обычным управляющим электродом. Однако приборы, например, типа М2ТОТО-8О (Т0242-80) серийно выпускаются в двух модификациях: с обычным и регенеративным электродом управления. На рис. 3, для сравнения, представлены обе конструкции кристаллов фототиристоров — М2ТОТО-8О (Т0242-80)
и М2ТОТО-80* (ТО242-80*). 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.
Результаты измерений токов утечек Iххм в различных режимах для модификации приборов М2ТОТО-80-12* с регенеративным управляющим электродом представлены в таблице 2. Здесь же приведены данные на мощные оптотиристорные модули МТОТО9/3-250-16 [8] и обычный высоковольтный тиристор с регенеративным управляющим электродом типа Т353-800-32 [10].
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 1ххм-
Для модулей М2ТОТО-80-12* отпирающие постоянные токи (10Т) управления остались на уровне токов обычных приборов без усиления сигнала управления (М2ТОТО-80-12), что обусловлено уменьшением эквивалент-
Таблица 2. Результаты испытаний оптотиристорных модулей с регенеративным управляющим электродом
Тип и № прибора
Параметр М2Т0Т0-80-12* МТ0Т09/3-250-16
1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 1.1 1.2 2.1 2.2
В *, "zU *, M UD 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1600 1600 1600 1600 3200
IT(AV)*, А 80 80 80 80 80 80 250 250 250 250 800
^RM* IRRM* (TJ = 125 ”С) мА 15 15 15 15 15 15 20 20 20 20 70
Igt* (Tj = 25 0С), мА 100 100 100 100 100 100 80 80 80 80 250
IRRM (TJ = 25 С iFG = 0 м^ мкА 1,3 1,7 1,2 3,1 1,1 1,3 3,5 3,0 2,7 2,7 3,2
Irrm (Tj = 25 T, iFG = 30 мA), мА 4,5 5,0 6,0 6,0 4,0 5,0 7,0 6,5 6,8 6,1 0,2 (100 мА)
IRRM (TJ = 25 С iFG = 60 м^ мА 9,0 10,0 12,0 11,0 9,0 11,0 11,0 12,0 11,0 13,5 7,0 (240 мА)
Irrm (Tj = 25 0С, iFG = 100 мA), мА 14,0 16,0 18,0 18,0 13,0 16,0 14,0 16,0 16,1 15,2 21 (300 мА)
Igt (Tj = 25 X), мА 39 36 50 33 62 73 63 51 70 45 245
Ugt* (Tj = 25 "С), В 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 1,80 1,80 1,80 1,80 2,50
Ugt (Tj = 25 T), B 1,27 1,27 1,30 1,27 1,34 1,35 1,50 1,50 1,50 1,40 1,45
Примечание. Знаком (*) отмечены паспортные параметры на соответствующие типы приборов.
Таблица 3. Результаты сравнительных испытаний оптотиристорных модулей и обычных тиристоров с регенеративным управляющим электродом
Тип и № прибора
Параметр МТОТО9/3-250-16
1.1 1.2 2.1 2.2
со З1 1600 1600 1600 1600 1200 3200
|Т(ДУ)*- А 250 250 250 250 80 800
^м*’ ^М* (Т1 = 100 °С)’ мА 20 20 20 20 7 (125 °С) 70 (125 °С)
^М (Т1 = 25 С’ ^ = 0 мД)’ мкА 3,5 3,0 2,7 2,7 2,5 3,2
^м (Т = 100 °С, ІFG = 0 мД), мА 9,0 7,0 6,0 5,0 0,6 (125 °С) 7,0 (125 °С)
Іет* (Т = 25 °С)’ мА 80 80 80 80 150 250
Іет (Т = 25 °С), мА 63 51 70 45 24 245
^м (Т1 = 25 С’ ^ =30 мД)’ мА 7,0 6,5 6,8 6,1 8,0 (1400 В) 0,2 (100 мА)
^м (Т = 100 °С, і FG = 30 мД), мА 9,5 9,0 7,8 8,9 21 (1000 В, 125 °С) 7,1 (100 мА, 2400 В, 125 °С)
^м (Ті = 25 С ^ = 60 мД) мА 11,0 12,0 11,0 13,5 25 (1400 В) 7,0 (240 мА)
^м (Т = 100 °С, іFG = 60 мД), мА 13,0 12,0 12,5 13,0 79 (1000 В, 125 °С) 65 (240 мА, 2400 В, 125 °С)
IRRM (Т| = 25 С ІFG = 100 мА 14,0 16,0 16,1 15,2 60 (1400 В) 21 (300 мА)
ІRRм (TJ = 100 °С, ІFG = 100 мД), мА 15,5 15,0 16,0 13,5 103 (1000 В, 125 °С) 115 (300 мА, 2400 В, 125 °С)
Примечание. Знаком (*) обозначены паспортные параметры на соответствующие типы приборов.
ной площади оптического окна (рис. 3) и, следовательно, снижением величины полезно используемой энергии излучения светодиода. Но обратные токи утечек (IRRм) для приборов с регенеративным управляющим электродом, при прочих равных условиях (iFG Ф 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 1икм и в этом случае нельзя. Паспортные величины 1^^* все равно превышаются.
Для оптотиристоров модулей МТОТО9/ 3-250-16 токи утечек IRRM при комнатной температуре структуры (Т, = 25 °С) оказались, как видно, близкими к паспортным значениям !ддм*, несмотря на то, что их не превысили.
Для мощного высоковольтного тиристора с выведенным регенеративным управляющим электродом Т353-800-32 обратный ток утечки 1икм при подаче сигнала управления (iFG Ф 0) и низкой температуре (Т, = 25 °С) оказывается в пределах нормы, установленной паспортом 1ККМ* (>70 мА). Ток управления iFG для тиристоров Т353-800-32 имеет другой порядок величин, и его значения в режимах измерений выделены в соответствующих графах для 1ККМ. Ток утечки 1ККМ для прибора с выведенным управляющим регенеративным электродом также заметно возрастает при увеличении тока управления iFG до уровня 1^*.
Повышение температуры структуры Т, для МТ0Т09/3-250-16 до предельного значения (Т, = Т,м = 100 °С) вызывает даже некоторое снижение токов утечек (табл. 3) в обратном направлении 1К (^М). Приборы, таким образом, обладают относительной тепловой стабильностью свойств. Суммарный ток утечки 1К оптотиристора в обратном направ-
лении складывается из тепловой и оптической составляющих, имеющих ограниченные величины. То есть также имеет место самоограничение токов 1К, 1икм.
Совсем иначе ведут себя тиристоры с выведенным управляющим электродом при одновременном воздействии сигнала управления (iFGФ 0), обратного напряжения (ик Ф 0) и повышенной температуре (Т, = Т,м) структуры. По данным таблицы 3 видно, что, например, для выбранного образца тиристора Т353-800-32 при отсутствии сигнала управления (iFG = 0) и максимальной температуре структуры (Т, = Т,м = 125 °С) обратный ток утечки 1икм равен всего 7 мА. Однако при токе управления iFG, близком к значению отпирающего постоянного тока управления 1Ст и максимальной температуре структуры (Т, = Т,м), обратный ток утечки 1К возрастает до 115 мА при обратном напряжении ик, составляющем всего 2400 В (75% от икш). То есть величина обратного тока утечки 1К даже при пониженном напряжении ик существенно превышает паспортное значение
1ддм*. Подобным образом ведет себя и тиристор на средний ток типа Т242-80-12.
Следует заключить, что эффект роста обратных токов утечек 1К, 1икм для тиристоров обычных конструкций с выведенным управляющим электродом при повышении температуры структуры Т, имеет явно выраженный характер системного или сверхаддитив-ного (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 1ст равно 150 мА, а для тиристоров Т353-800-32 составляет 300 мА. В практических системах импульсы тока управления iFG для этих приборов могут иметь
амплитуды более 1 А. Соответственно, вырастут и амплитуды обратных токов утечек 1К. Температура же структуры Т, работающего тиристора всегда повышенная. Приборы в этом случае нельзя будет использовать при установленных паспортных рабочих напряжениях икт
Необходимо отметить, что мощность потерь от протекающих через структуру неограниченных обратных токов утечек (1К, 1ККМ) 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
I. 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: МТ0Т0-40(5П103ТТ-40); МТ0Т0-80(5П103ТТ-80); МТ0Т0-100(5П103ТТ-100). www.proton-impuls.ru
7. Модули силовые полупроводниковые типов: МТ0Т0-100; МТОТО-125; МТ0Т0-160; (ТУ 1691 ИЖТШ. 435000.009 ТУ). www.optron-stavropol.ru
8. Модули оптотиристорные: МТ0Т09/3-200; МТ0Т09/3-250 (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; СмМТ0Т0-1000 (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.
