Моделирование переходного процесса выключения тиристора, проводящего в обратном направлении. Принял: Мустафаев Г.А. Выполнил: студент 4 курса ФМЭиКТ Ульбашев А.А. Содержание. • Введение 3 • Моделирование переходного процесса выключения тиристоров, проводящих в обратном направлению 4 • Переходный процесс выключения асимметричного тиристора. 6 • Переходной процесс выключения тиристора – диода 17 •
Расчетная часть 20 • Литература 22 Введение. Силовые полупроводниковые приборы (СПП) широко применяются в энергетике, электротехнике, радиотехнике и автоматике. Существовавшие до последнего времени методы расчета и проектирования СПП не отличалось высокой точностью, а недостатки проектирования компенсировались многочисленными дорогостоящими и продолжительными экспериментами. Существенное повышение качества исходных материалов и уровня технологии
привело к уменьшению неконтролируемого разброса параметров СПП. Автоматизированное 7проектирование является важным фактором ускорения научно-технического прогресса в силовой полупроводниковой электронике, так как позволяет коренным образом изменить процесс проектирования и обеспечить необходимое соответствие между неуклонно растущей потребностью в СПП и методам реализации этих потребностей при ограниченных, трудовых ресурсах.
Модели СПП можно подразделить на технологические, физико-топологические и электрические : Технологическая модель. В этой модели исходным являются параметры технологических режимов (температура и время диффузии, концентрация диффузанта и др.). Эти параметры, а также выходные параметры на определенных технологических операциях ( поверхностное сопротивление, напряжение пробоя p-n перехода, например) измеряются, обрабатывается на ЭВМ и используется для корректировки и управления технологическим процессом.
Физико-топологическая модель. Эта модель является основой для автоматизированного проектирования СПП. Исходными здесь является геометрические размеры областей СПП и физические характеристики p-n переходов и слоев (концентрации примеси и ее профиль, время жизни неосновных носителей заряда, подвижность носителей заряда и др.).Геометрические размеры определяются рисунком фотошаблона, профилем боковой поверхности кремниевой структуры,
толщины пластины и глубиной залегания p-n переходов. Электрическая модель. Эта модель используется для автоматизированного проектирования схем преобразователей. Исходными параметрами этой модели являются обычно выходные параметры физико-топологической модели. Моделирование статической характеристики силовых тиристоров в закрытом состоянии и токов управления современных силовых тиристоров связано с решением неодномерных задач.
Эти вопросы, а также обоснование возможности перехода к одномерным моделям отражены ниже, где подробно изложен современный подход к моделированию вольт-амперных характеристик (ВАХ) при анализе переходных процессов. В современных СПП большой мощности неизбежно имеет место разброс параметров п/п структуры по площади СПП. Моделирование переходного процесса выключения тиристоров, проводящих в обратном направлении. Асиметричные тиристоры и тиристоры-диоды. Существует ряд преобразователей на основе
СПП, в которых используется встречно-параллельное соединение быстродействующих тиристоров и быстро восстанавливающихся диодов. При использовании тиристоров в подобных преобразователях от них не требуется высокой блокирующей способности в обратном направлении. Достаточно, чтобы тиристоры выдерживали в процессе их выключения обратное напряжение, равное сумме падений напряжений на диодах, включенных встречно-параллельно, и на паразитной индуктивности проводов, соединяющих диоды и тиристоры.
Это напряжение не превышает, как правило, несколько единиц или десятков вольт. В закрытом состоянии асимметричные тиристоры выдерживают такие напряжения, как и обычные тиристоры, не проводящие в обратном направлении. Поэтому асимметричные и обычные тиристоры имеют идентичные коллекторные переходы и отличаются, по существу, только распределением легирующей примесей в окрестностях анодного перехода j1 (рис.1). (рис.1) Распределение легирующей примеси в асимметричном тиристоре (пунктир – то
же в обычном тиристоре) Наличие n! – слоя ограничивается распространение области объемного заряда коллекторного перехода в сторону анодного перехода при приложении к тиристору напряжения в закрытом состоянии. Это позволяет при заданном значении напряжения переключения выбирать толщину n-базы асимметричных тиристоров существенно меньшей толщины этой базы обычных тиристоров. В то же время суммарная толщина анодного p1+-и n! –слоя в асимметричных тиристорах не превышает, как
правило, толщину анодного p –слоя в обычных тиристорах. Поэтому именно благодаря меньшей толщины n –базы при заданном напряжении переключении асимметричные тиристоры имеют меньшие времена выключения и, кроме того, при прочих равных условиях несколько меньше потери при включении и открытом состоянии. При одинаковых толщинах базовые n –слоев и, следовательно, при одинаковом быстродействии асимметричные тиристоры могут быть существенно более высоковольтными,
чем обычные тиристоры. Асимметричные тиристоры являются составной частью тиристоров –диодов, которые сочетают в себе характеристики тиристора и встречно –параллельного включения с ним диода. ВАХ асимметричных тиристоров и тиристоров изображены на рис.2. (рис.2) ВАХ асимметричного тиристора (кривая 1) и тиристора –диода (кривая 2). Тиристоры –диоды имеют определенные преимущества перед дискретными асимметричными тиристорами и диодами,
соединенными встречно –параллельно. К ним относятся удобства монтажа (один прибор вместо двух), отсутствие паразитной индуктивности проводов, соединяющих диод и тиристор, экономия материалов (один корпус вместо двух) и т.д. Однако технология изготовления тиристоров – диодов заметно сложнее. Кроме того, для различных областей применения требуется тиристоры –диоды с различным соотношением средних токов тиристора и диода. Это обуславливает потребность в большой номенклатуре тиристоров –диодов.
В то же время наличие ряда дискретных быстро восстанавливающихся диодов и асимметричных быстродействующих тиристоров позволяет выбрать наиболее оптимальную пару этих приборов для различных областей применения. Переходный процесс выключения асимметричного тиристора. Возможны два варианта соединения асимметричного тиристора и диода –последовательное и встречно –параллельное. Схематически зависимости от времени тока и напряжения на тиристоре в процессе его выключения для этих
вариантов изображены на рис.3. (рис.3) Зависимость от времени тока и напряжения на асимметричном тиристоре в процессе его выключения при последовательном (а,б) и встречно –параллельном (в,г) соединении диода. (рис.3) Зависимость от времени тока и напряжения на асимметричном тиристоре в процессе его выключения при последовательном (а,б) и встречно –параллельном (в,г) соединении диода. При последовательном соединении диод следует подбирать так, чтобы время его обратном восстановлении
было меньше времени обратного восстановления тиристора. В этом случае обратный ток ограничивается диодом и напряжением на тиристоре не достигает напряжения лавинного пробоя анодного перехода. Однако низковольтный анодный переход тиристора, образованный сильнолегированным p1+ и т n! –слоями (рис.4), может восстанавливаться быстрее, чем высоковольтный p –n переход диода. В этом случае обратное напряжение на тиристоре кратковременно может достичь напряжения лавинного пробоя
анодного перехода. Это может привести (при большой разнице времен обратного восстановления указанных переходов) к заметному увеличению времени выключения тиристора. Последнее связано с тем, что при пробое анодного перехода тиристора в его n –базу поставляются электроны, что приводит к росту избыточного заряда неравновесных электронов и дырок в этой базе. Ниже при расчетах будем считать, что эффект не имеет места.
При встречно –параллельном соединении асимметричного тиристора и диода пунктиром на рис.3,в показана зависимость от времени тока через диод. Напряжение на тиристоре при таком соединении приборов ведет себя более сложным образом.