Коммутационные параметры силовых полупроводниковых приборов, характеризующие их переключение из проводящего в непроводящее состояние

Коммутационные параметры относятся к важнейшим характеристикам силовых полупроводниковых приборов (СПП), поскольку от них в значительной мере зависят динамические свойства и нагрузочная способность приборов, КПД и условия их охлаждения. В настоящей работе рассмотрены коммутационные параметры, характеризующие переключение СПП из проводящего состояния в непроводящее (выключение СПП) под действием импульса обратного напряжения.

Как известно [1–3], в закрытое состояние силовые приборы (диоды, тиристоры) переходят за конечное время t_rr, необходимое для удаления избыточного заряда Q_rr, накопленного при их работе в проводящем состоянии. При этом переходный процесс выключения СПП состоит из двух основных этапов (рис. 1): этапа нарастания обратного тока и этапа спада обратного тока в результате восстановления обратного сопротивления.

Рис. 1. Эпюра обратного тока, протекающего через СПП при его переключении из проводящего в непроводящее состояние

На первом этапе полупроводниковая структура СПП практически не блокирует напряжения, так как в ее слоях имеется достаточно большое число избыточных носителей заряда. Поэтому под действием импульса обратного напряжения через СПП начинает протекать обратный ток, который линейно нарастает до своего максимального значения I_rr со скоростью di/dt, определяемой приложенным напряжением и параметрами внешней электрической цепи:

Длительность этого этапа равна t_s (рис. 1). Таким образом:

Протекание обратного тока через структуру способствует уменьшению концентрации избыточных носителей, во-первых, за счет процессов рекомбинации, во-вторых, за счет выноса их внешним электрическим полем. В момент времени t_s накопленный заряд уменьшается настолько, что начинает ограничивать обратный ток. При этом сопротивление прибора резко возрастает, и он принимает на себя внешнее напряжение. С этого момента с уменьшением концентрации избыточных носителей заряда обратный ток через тиристор резко убывает от своего максимального значения I_rr практически до нуля [2]:

где t_f — это время, которое принято рассматривать в качестве длительности этапа восстановления обратного сопротивления (рис. 1).

Длительность всего переходного процесса выключения СПП:

При этом избыточный заряд, накопленный при работе СПП в проводящем состоянии (рис. 1), определяется как:

В настоящей работе предложена математическая модель, описывающая наблюдаемую на опыте зависимость коммутационных параметров t_s, t_f, t_rr, I_rr и Q_rr от силы прямого тока и скорости его спада перед выключением прибора. Разработаны алгоритмы восстановления этой зависимости по экспериментальным данным.

Математическая модель, описывающая зависимость коммутационных параметров СПП от силы прямого тока и скорости его спада перед выключением

В настоящее время для описания зависимости коммутационных параметров от силы прямого тока I и скорости его спада di/dt используются степенные аппроксимации вида [2, 4]:

где y — один из коммутационных параметров (I_rr, Q_rr, t_rr, t_s или t_f). При этом коэффициенты a_m и b_n и показатели степени m и n считаются постоянными (m, n = 1, 2, 3…) и подбираются из условия наилучшего совпадения кривых (6) и (7) с экспериментальными данными.

Таким образом, выражение (6) описывает зависимость коммутационных параметров СПП от силы I прямого тока только при одном, заранее определенном значении скорости di/dt его спада, а выражение (7) задает зависимость этих параметров от скорости di/dt только при одном значении I силы прямого тока. При изменении этих значений процедуру подбора, по крайней мере, коэффициентов a_m и b_n, требуется повторять заново, для чего нужно использовать новые экспериментальные данные.

В этом заключается главный недостаток степенных аппроксимаций (6) и (7). Кроме того, эти выражения не учитывают зависимости коммутационных параметров приборов от температуры T_j полупроводниковой структуры, которая объясняется ярко выраженной зависимостью времени жизни τ_p неосновных носителей заряда в n-базе СПП [1]: τ_p ~ T_j^3/2.

Наши исследования показали, что для широкого класса приборов время нарастания обратного тока t_s и время его спада t_f определяются формулами:

где α, β, γ и δ — экспериментально определяемые параметры модели, которые зависят только от конструктивных особенностей СПП, а t_s0 и t_f0 — соответственно времена нарастания и спада обратного тока, измеренные при температуре T_j0 полупроводниковой структуры, при значении I₀ классификационного тока, который спадает со скоростью (di/dt)₀ при переключении СПП из проводящего в непроводящее состояние.

Функции (8) и (9) являются естественным обобщением выражений (6) и (7) и удовлетворительно описывают полученные нами экспериментальные данные (рис. 2–4). При этом, учитывая равенства (1–5), следует сделать вывод, что формулы (8) и (9) полностью определяют все коммутационные параметры, характеризующие переходные процессы переключения СПП из проводящего состояния в непроводящее.

Рис. 2. Коммутационные параметры тиристора МТ3-500 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока: а) t_s; б) t_f; в) t_rr; г) Q_rr (1 — I = 500 А, 2 — I = 1000 А, 3 — I = 1500 А; сплошные кривые — расчеты с использованием эмпирических формул (8) и (9), маркеры — экспериментальные данные, полученные при температуре T_j = 298 К)

Рис. 3. Коммутационные параметры тиристора ТБИ173 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока: а) t_s; б) t_f; в) t_rr; г) Q_rr (1 — I = 500 А, 2 — I = 1000 А, 3 — I = 2000 А; сплошные кривые — расчеты с использованием эмпирических формул (8) и (9), маркеры — экспериментальные данные, полученные при температуре T_j = 298 К)

Рис. 4. Коммутационные параметры t_s, t_f, t_rr и Q_rr диода Д353 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока: а) t_s; б) t_f; в) t_rr; г) Q_rr (I = 800 А, T_j = 298 К; сплошные кривые — расчеты по формулам (8) и (9), маркеры — экспериментальные данные)

Экспериментальное измерение коммутационных параметров СПП и восстановление их зависимости от силы прямого тока и скорости его спада перед выключением

Выражения (8) и (9) совместно с равенствами (1–5) позволяют по небольшому числу экспериментальных точек восстановить зависимости всех коммутационных параметров от силы и скорости спада прямого тока. Причем, в отличие от (6) и (7), эти зависимости оказываются справедливыми при любых значениях силы тока I и скорости его спада di/dt.

Действительно, допустим, что нам удалось измерить время нарастания обратного тока t_s1(I₁) и время его спада t_f1(I₁) при температуре полупроводниковой структуры T_j1, при силе прямого тока I₁ и скорости его спада (di₁/dt)₁. Пусть измеренные значения t_s2(I₁) и t_f2(I₁) соответствуют температуре T_j1 при силе прямого тока I₁ и скорости его спада (di₁/dt)₂, значения t_s1(I₂) и t_f1(I₂) — температуре T_j2 при силе прямого тока I₂ и скорости его спада (di₂/dt)₁, а t_s2(I₂) и t_f2(I₂) — температуре T_j2 при силе тока I₂ и скорости его спада (di₂/dt)₂. Тогда, как следует из (8) и (9),

где постоянные α, β, γ и δ определяются выражениями: (12), (13), (14), (15).

Выражение (4) позволяет определить длительность t_rr(I, di/dt, T_j) переходного процесса выключения СПП. По формулам (2) и (5) могут быть рассчитаны максимальное значение обратного тока I_rr(I, di/dt, T_j) и избыточный заряд Q_rr(I, di/dt, T_j), накопленный при работе СПП в проводящем состоянии.

Таким образом, по результатам шести измерений могут быть восстановлены зависимости от тока I и скорости его спада di/dt всех коммутационных параметров, характеризующих переключение СПП из проводящего состояния в непроводящее.

Полученные в настоящей работе результаты показывают, что при заданной скорости нарастания обратного тока длительности t_s и t_f основных этапов выключения полупроводниковых приборов полностью определяют все остальные коммутационные параметры, характеризующие переключение СПП из проводящего в непроводящее состояние. Предлагаемая математическая модель (8, 9), описывающая зависимость t_s и t_f от силы прямого тока и скорости его спада перед выключением, позволяет по экспериментальным данным восстановить аналогичные зависимости для любых других коммутационных параметров СПП.

Указанные зависимости справедливы при любых значениях силы прямого тока и скорости его спада перед выключением и находятся в удовлетворительном согласии с экспериментом (рис. 2–4).

Литература

1. Евсеев Ю. А., Дерменжи П. Г. Силовые полупроводниковые приборы. М.: Энергоиздат. 1981.
2. Абрамович М. И., Бабайлов В. М., Либер В. Е. и др. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. М.: Энергоатомиздат. 1992.
3. Рабинерсон А. А., Ашкинази Г. А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергия. 1976.
4. Westcode. Positive development in power electronics. Westcode Semiconductors Ltd. Provisional Data Sheet. 2000.