Процесс выключения тиристора. Эффект dU/dt.

Под выключением тиристора понимают процесс перевода его из открытого состояния в закрытое (непроводящее) состояние, при котором тиристор способен выдерживать определенное прямое напряжение, прикладываемое с определенной скоростью нарастания .

Выключение рассматриваемых в этой книге тиристоров осуществляется по силовой цепи путем приложения к ним обратного напряжения.

Когда полупроводниковая структура тиристора находится в проводящем состоянии, базовые и эмиттерные ее слои содержат избыточный заряд основных и неосновных носителей заряда, определяемый разностью между зарядом подвижных носителей заряда слоев структуры, находящейся в открытом состоянии, и зарядом, который присутствует в этих слоях, когда структура находится в непроводящем состоянии и внешнее напряжение к ней не приложено, при этом все три перехода структуры тиристора смещены в прямом направлении.

При приложении обратного напряжения к тиристору, находящемуся в проводящем состоянии, он переходит из открытого состояния в закрытое за время, необходимое для удаления (рассасывания) накопленного в его слоях избыточного заряда. Зависимости от времени анодных тока и напряжения на тиристоре в процессе его выключения приведены на рис. 1.15.

В момент к тиристору прикладывается обратное напряжение — начало процесса выключения.

Рис. 1.15. Типичные зависимости тока и напряжения силового тиристора в процессе выключения и схема подключения к внешнему источнику (в)

На интервале (рис. 1.15, а) ток через тиристор уменьшается до нуля со скоростью, определяемой приложенным к электрической цепи напряжением и параметрами внешней электрической цепи:

где - скорость спада тока тиристора в открытом состоянии; — напряжение, приложенное к цепи с тиристором; - индуктивность электрической цепи.

В процессе спада прямого тока через тиристор за счет взаимной рекомбинации электронов и дырок происходит уменьшение накопленного избыточного заряда в полупроводниковой структуре тиристора. Этот процесс инерционен, его скорость зависит от многих факторов (в первую очередь, от времени жизни дырок в n-базе) [1.9], и поэтому, как правило, к моменту в базовых слоях на границах переходов сохраняется значительный избыточный заряд электронов и дырок, а переходы остаются прямосмещенными.

При через тиристор начинает протекать обратный ток (рис. 1.15, а), нарастающий со скоростью спада прямого тока. Структура тиристора практически не блокирует напряжения, так как в ее слоях имеется еще достаточно большое число избыточных носителей заряда. Протекание обратного тока через структуру способствует дальнейшему уменьшению концентрации избыточных носителей заряда за счет выноса их внешним электрическим полем в добавление к процессу рекомбинации, который продолжается.

Интенсивное снижение концентрации избыточных носителей заряда приводит в первую очередь к восстановлению запирающих свойств переходом . Однако напряжение пробоя перехода у рассматриваемых видов тиристоров не превышает 10 В, при большем приложенном напряжении этот переход пробивается, и его сопротивление после этого практически не ограничивает обратный ток через тиристор.

Поэтому обратный ток продолжает (после лавинного пробоя перехода ) возрастать с прежней скоростью до момента , когда концентрация дырок в базовом слое на границе с переходом падает до нуля, при этом переход смещается в обратном направлении, его сопротивление резко возрастает и он принимает на себя напряжение. Это приводит к уменьшению скорости нарастания обратного тока:

где — напряжение на восстанавливающемся эмиттерном переходе

В момент (рис. 1.15) напряжение на переходе достигает , а скорость нарастания обратного тока согласно (1.14) становится равной нулю, при этом обратный ток достигает наибольшего значения и начинает убывать, так как избыточный накопленный заряд уменьшается настолько, что начинает ограничивать обратный ток. Поэтому на интервале (рис. 1.15, а) обратный ток тиристора резко убывает с уменьшением концентрации избыточных носителей заряда в слоях полупроводниковой структуры.

Напряжение на тиристоре, воспринимаемое коллекторным переходом начиная с момента (рис. ), определяется следующим образом:

где — скорость спада обратного тока тиристора на интервале .

К моменту обратный ток тиристора уменьшается до установившегося значения, скорость его изменения становится равной нулю, а приложенное напряжение уменьшается до . Избыточный заряд электронов в базовом слое к этому моменту практически исчезает. Избыточный заряд в базовом слое в этот же момент имеет ненулевое значение, и полупроводниковая структура еще не восстановила своих запирающих свойств в прямом направлении.

Дело в том, что, несмотря на протекание через тиристор в интервале времени значительного обратного тока, избыточный заряд в базовом слое структуры убывает практически только за счет естественной рекомбинации дырок и электронов. Это связано с тем, что вместо дырок, уносимых обратным током через переход в базовый слой поступают дырки из базового слоя , в котором они являются основными носителями заряда.

После момента процесс рекомбинации продолжается, избыточный заряд дырок в базовом слое структуры уменьшается, и в момент , когда избыточный заряд дырок в базовом слое структуры, убывая, станет меньшим , переходный процесс выключения тиристора считается законченным. Начиная с этого момента тиристор, не включаясь, способен выдерживать допустимое прямое напряжение, нарастающее с допустимой скоростью.

Из рис. 1.15 следует, что на интервале времени напряжение на тиристоре мало и при протекании спадающего прямого и нарастающего обратного тока мощность потерь в его полупроводниковой структуре мала; на интервале времени 12—14, когда восстанавливается запирающая способность коллекторного перехода и через него протекает обратный ток, а обратное напряжение резко возрастает, мгновенная мощность потерь в полупроводниковой структуре может быть значительной (до десятков киловатт); на интервале времени и далее при протекании через тиристор достаточно малого обратного тока даже при приложении допустимого обратного напряжения мгновенная мощность потерь в структуре тиристора относительно мала.

Как уже отмечалось, время выключения тиристора в значительной степени определяется временем жизни дырок в толстой n-базе . Для грубых оценок можно принять, что [1.10]

Если в момент (рис. 1.15) к тиристору приложить допустимое прямое напряжение, нарастающее со скоростью, превосходящей допустимое значение, то тиристор включится без подачи отпирающего импульса на его управляющий электрод. Произойдет включение по аноду вследствие эффекта .

Процесс включения тиристора по аноду в этом случае происходит следующим образом. Как было отмечено, в закрытом состоянии вблизи перехода образуется ООЗ. Пусть ее толщина задается соотношением (1.2), т. е. .

Наличие слоя объемного заряда между нейтральными слоями можно упрощенно интерпретировать как наличие плоского конденсатора, имеющего емкость С. Учитывая, что емкость плоского конденсатора обратно пропорциональна его толщине, приходим к выводу, что тиристор в закрытом состоянии эквивалентен конденсатору с емкостью . Однако, как известно из электротехники, если к конденсатору приложить изменяющееся во времени напряжение, то через него потечет ток

Следовательно, при приложении к тиристору напряжения, нарастающего со скоростью , в нем возникает ток , пропорциональный . Этот ток оказывает на тиристор такое же действие, как и ток управления, и, если введенный током заряд превысит значение , тиристор перейдет в открытое состояние. Для рассматриваемых видов тиристоров включение их таким образом является нежелательным процессом (так как степень локальности при этом гораздо выше, чем при включении по управляющему электроду), и для его исключения принимаются меры технологического характера, повышающие стойкость тиристоров к , а при применении тиристоров предусматриваются схемные решения, ограничивающие на допустимом уровне скорость нарастания приложенного к тиристору напряжения.