5.3. ОГРАНИЧЕНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА СПП

Физические процессы в структуре СПП.

Выбор схемы подключения и расчет параметров элементов ограничительных устройств помимо выполнения формальных требований следует проводить с полным пониманием и учетом физических явлений, происходящих в структуре СПП при выключении [5.1].

На рис. 5.3, а показаны типичные кривые тока и напряжения при выключении СПП (диода или тиристора) за счет изменения полярности коммутирующего напряжения. Из-за наличия в цепи индуктивности изменение направления тока происходит не мгновенно, а в течение определенного интервала времени . Ток спадает со скоростью .

Поскольку имеет порядок с, а процесс выключения СПП равен , принято, что на интервале выключения СПП

Рисунок 5.3, б иллюстрирует распределение концентрации неосновных носителей в n-базе структуры СПП. Предполагается экспоненциальное распределение акцепторной примеси в p-области структуры (слева от нулевой линии совпадающей с . переходом), слабая концентрация донорной примеси в широкой базе справа от перехода и резкий переход к зоне с большой концентрацией донорной примеси справа от границы, обозначенной .

Рис. 5.3. Процессы при выключении СПП: а — ток и напряжение и на интервале выключения диода или тиристора; б — распределение концентраций дырок в структуре диода или тиристора в процессе выключения

В момент перехода прямого тока через нуль в n-области структуры концентрация дырок равна концентрации электронов . После начинается выключение СПП, что иллюстрирует рис. 5.3, б.

Процесс выключения СПП можно разбить на три интервала [5.1].

Интервал 1 начинается от пересечения током нуля при и заканчивается тогда, когда переход очищен от избыточных носителей, т. е. когда концентрация (рис. 5.3, б) на левой границе структуры становится равной концентрации основных носителей . Предполагается, что граничная концентрация справа не достигает и что распределение концентрации ограничено по верхнему пределу. Обратный ток нарастает линейно, и падение напряжения на переходе остается малым и почти постоянным при определенных условиях (большой обратный ток, слаболегированная n-база)

По мере нарастания обратного тока увеличивается градиент концентрации накопленного заряда дырок на границах n-базы. На левой границе

на правой границе

где - координата; - плотность дырочного обратного тока площадь , А/см2; - заряд носителя — коэффициент диффузии дырок для ); — подвижность дырок для ( - подвижность электронов для .

При ток не протекает, распределение плотности дырок характеризуется прямой линией . Затем начинает протекать возрастающий обратный ток. Как следует из вышенаписанных уравнений, градиент концентрации дырок на границах n-базы должен увеличиваться с ростом обратного тока.

Это видно из диаграммы рис. 5.3, б, где градиент концентрации показан наклоном кривых распределения плотности остаточного заряда. Градиент концентрации возрастает в ходе процесса от до слева и от до справа.

В центральной части структуры концентрация снижается от до вследствие рекомбинации по закону

В момент градиент концентрации слева достигает максимума; этот момент соответствует амплитудному значению обратного тока .

На границе между n- и -областями снижение концентрации и рост градиента идут медленнее и не достигают критических значений.

Поскольку градиент концентрации на левой границе п-области достиг максимума, возрастание обратного тока прекращается. Интервал 1 выключения СПП заканчивается.

Интервал 2 начинается в момент и характеризуется спаданием обратного тока и быстрым нарастанием обратного напряжения, равного (ток падает, отрицательно). В течение интервала происходит дальнейшее снижение концентрации в центральной части за счет рекомбинации и на границах вследствие диффузии. Поскольку максимальная концентрация в средней части убывает, соответственно становится короче часть области, характеризующейся линейной концентрацией дырок, при этом граница области накопленного заряда отодвигается от перехода (рис. 5.3, б, кривая ).

Область, занимаемая накопленным зарядом и содержащая достаточно высокие концентрации электронов и дырок, обладает высокой проводимостью, и падение напряжения в ней, связанное с протеканием через нее обратного тока, мало. Таким образом, все напряжение, возникающее на структуре СПП, прикладывается к относительно узкому зазору между переходом и левой границей области объемного заряда. Здесь могут возникнуть большие градиенты электрического поля, ведущие к лавинному пробою и смыканию обедненной области с областью объемного заряда, при этом в относительно тонкой области выделяется значительная мощность , выделение которой может концентрироваться на отдельных участках площади структуры. Это может повести к повреждению СПП, несмотря на то, что мгновенное значение напряжения в этот момент значительно ниже классификационного напряжения данного прибора.

Быстродействующие СПП, имеющие меньший накопленный заряд, а также приборы с лавинной характеристикой, обладающие более равномерным распределением обратного тока, имеют повышенную стойкость к быстрому нарастанию обратного напряжения при наличии остаточного заряда [5.7].

Когда начало спада концентрации носителей совпадает с максимумом концентрации остаточных носителей, т. е. линейная часть в области максимальной концентрации исчезает, интервал 2 выключения СПП заканчивается.

Интервал 3 является окончанием периода выключения. Поскольку начало возникновения градиента носителей совпадает с максимальным значением концентрации носителей (рис. 5.3, кривая ), уменьшение, концентрации носителей теперь непосредственно ведет к снижению градиента концентрации и ограничению обратного тока.

Вместе с тем область накопленного заряда под действием электрического поля передвигается к переходу.

В случае небольших скоростей спадания прямого тока и для тонких структур СПП интервал 2 может отсутствовать, т. е. интервал 3 наступает непосредственно после .

Анализ физических явлений в структуре СПП при выключении позволяет сделать следующие выводы, существенные при проектировании ограничительных устройств:

1) наличие накопленного заряда неосновных носителей влияет на вентильные свойства СПП. Приложение крутонарастающего обратного напряжения при наличии заряда неосновных носителей, например при быстрой коммутации или при поступлении перенапряжения обратного знака на интервале протекания прямого тока, может вести к пробою структуры СПП. Вероятность повреждения зависит от длительности приложения импульса напряжения, при микросекундных длительностях пробой не наступает. Быстродействующие и лавинные СПП более устойчивы к данному воздействию.

При применении низкочастотных СПП следует учитывать не только амплитуду обратного восстанавливающегося напряжения, но и скорость его нарастания. Здесь предпочтительными являются резонансные демпфирующие контуры с затуханием, обеспечивающим к моменту следующей коммутации снижение амплитуды колебаний до 5—10% исходного значения.

Применение апериодических RС-контуров целесообразно для быстродействующих СПП. В этом случае достигается большее снижение амплитуды восстанавливающегося напряжения, но имеет место крутое нарастание напряжения на фронте;

2) несмотря на то что в течение интервала 1 не выделяется значительных потерь в структуре СПП, на этом интервале происходит накопление энергии в индуктивности контура коммутации. Эта энергия выделяется в структуре прибора в течение интервалов 2 и 3.

Энергия, выделяющаяся в структуре СПП за один цикл без учета действия демпфирующей RС-цепи, определяется

где — накопленный заряд СПП.

Мощность потерь при этом

где - частота коммутации;

3) падение напряжения в области перехода относительно мало и может рассматриваться как постоянное (около 0,5 В). Это видно из кривых распределения концентрации остаточного заряда, которые показывают, что концентрация в первой части структуры снижается значительно медленнее, чем в левой, у перехода. Поэтому рассмотренный процесс выключения СПП может быть отнесен как к диодам, так и тиристорам;

4) в случае работы СПП на повышенных частотах энергия, выделяющаяся в структуре СПП на интервалах выключения, может быть значительно выше допустимой для данного прибора, даже при использовании специальных быстродействующих СПП с относительно меньшим зарядом.

Необходимо иметь в виду не только усредненную мощность потерь, но и энергию, выделяющуюся при каждом цикле работы прибора.

Соответствующие данные, приводимые в информационных материалах, показывают, что в подавляющем большинстве случаев необходимо принимать меры по ограничению выделяющихся потерь и электрических воздействий на приборы.

Возможны следующие методы ограничения динамических воздействий:

уменьшение токовой нагрузки СПП — снижение до , при этом потери включения уменьшаются пропорционально снижению тока, накопленный заряд уменьшается примерно пропорционально и пропорционально , а потери от протекания прямого тока — как . Снижение общих потерь выражается эмпирическои зависимостью

уменьшение напряжения , например за счет увеличения числа последовательно соединенных СПП, при этом накопленный остаточный заряд не изменяется, а энергия потерь уменьшается как

использование RС-контуров, подключаемых к приборам. Здесь может быть достигнуто снижение энергии, выделяющейся при выключении, на 40—60%. Вместе с тем растут потери включения в общие потери энергии в схеме ПУ. Могут также возникать нежелательные резонансные явления;

снижение , при этом накопленный заряд уменьшается согласно формуле

и соответственно снижаются потери;

Введение в цепи СПП реакторов с насыщающимися магнитопроводами.

Это является наиболее эффективным средством уменьшения остаточного накопленного заряда. Для расчета накопленного заряда к моменту возникновения обратного напряжения на СПП может быть использовано соотношение

где — накопленный заряд, соответствующий току и рабочему - время ступени тока, создаваемой насыщающимся реактором; — средний ток ступени; - время рассасывания, соответствующее току

При отсутствии в информационных материалах данных для имеющего место режима может быть использована аппроксимация: