Исследование Процесса Спада Напряжения При Ударно-Ионизационном Переключении Силовых Тиристоров

Abstract

Исследован процесс спада напряжения на силовых тиристорах, переключаемых в проводящее состояние волной ударной ионизации, возбуждаемой подачей на основные электроды тиристора импульса пере-напряжения с наносекундным фронтом. В экспериментах на тиристор с рабочим напряжением 2 кВ подавалось напряжение со скоростью нарастания dU/dt в диапазоне 0.5−6 кВ/нс. Численное моделирование показало, что расчетные и экспериментально наблюдаемые времена спада напряжения имеют количественное согласие только в том случае, когда величина активной площади структуры, через которую проходит ток переключения, зависит от dU/dt. Активная площадь увеличивается с возрастанием dU/dt, а также с увеличением удельного сопротивления исходного кремния. При этом активная площадь монотонно приближается к полной площади структуры при dU/dt > 12 кВ/нс. DOI: 10.21883/FTP.2017.05.44429.8367 ВведениеВозбуждение волны ударной ионизации в базовых областях полупроводниковых приборов (диодов и ди-нисторов) импульсом перенапряжения с наносекундным фронтом позволяет реализовать сверхбыстрый процесс переключения прибора из блокирующего состояния в проводящее. Скорость движения ударно-ионизационного фронта существенно выше насыщенной скорости носи-телей, в связи с чем структура силового прибора с характерной толщиной базовых областей в сотни мкм и пролетным временем носителя в единицы наносекунд заполняется плазмой за время в сотни пикосекунд. На этом принципе коммутации в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН разработаны кремние-вые динисторы с глубокими уровнями (ДГУ), имеющие время перехода в проводящее состояние менее 1 нс и способные коммутировать в нагрузку ток со скоростью нарастания до 200 кА/мкс. Принцип работы таких при-боров и экспериментально реализованные параметры детально изложены в [1][2][3][4][5].Недавно в [6,7] принцип коммутации на основе ударно-ионизационной волны был реализован в силовых промышленных тиристорах таблеточной конструкции. В экспериментах коммутатор из последовательно со-единенных тиристоров с диаметром полупроводнико-вой структуры 40 мм запускался внешним импульсом перенапряжения с фронтом ∼ 1 нс и коммутировал в нагрузку ток амплитудой в десятки кА со скоростью нарастания выше 100 кА/мкс. В [8] экспериментально и методами численного мо-делирования исследован процесс переключения сило-вых тиристоров в режиме ударно-ионизационной волны. Было показано, что при скорости нарастания запуска-ющего напряжения dU/dt в диапазоне ∼ (1−6) кВ/нс характерные времена переключения лежат в диапазоне ∼ (200−400) пс. Были найдены эмпирические соотно-шения, связывающие основные характеристики про-цесса переключения: напряжение включения U m , вре-мя нарастания импульса до переключения t r и вре-мя перехода в проводящее состояние t s . Экспери-ментальные, эмпирические и расчетные зависимости U m = f (t r ) и U m = f (dU/dt) имели хорошее количе-ственное согласие, отличаясь друг от друга на несколько процентов.Однако результаты численного моделирования про-цесса спада напряжения на тиристоре имели суще-ственное расхождение с эксперим...