Индукционных тиристоров

14-1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Диапазон емкостей индукционных тигельных печей очень широк. В качестве примера печи минимальной емкости (0,1 кг) можно указать отечественную установку для литья зубных протезов из нержавеющей стали, а максимальной (120 т) — печь фирмы «Юнкер» (ФРГ), предназначенную для отливки крупных судовых винтов из бронзы.

Недостатками индукционных тигельных печей являются высокая стоимость электрооборудования, особенно при частотах выше ВО Гц, и низкий'КПД при плавке материалов с малым удельным сопротивлением.

Сочетанием таких качеств определяется область применения индукционных тигельных печей: плавка легированных сталей и

Основной тенденцией в развитии индукционных тигельных печей является рост как единичной емкости, так и суммарной емкости парка печей, связанный прежде всего с потребностью в больших количествах высококачественного металла. Кроме того, при увеличении емкости повышается КПД печи и снижаются удельные.: расходы на ее изготовление и эксплуатацию.

Существует большое число рецептов футеровок для индукционных тигельных печей [2, 3, 27, 38, 40, 44]. Выбор рецептуры и гранулометрического состава футеровочных материалов определяется свойствами выплавляемого металла или сплава.

В зависимости от степени разрежения различают низковакуумные печи, работающие при давлении до 10 Па, средневакуумные — от 10 до 10~2 Па и высоковакуумные, работающие при давлении ниже 10~2 Па. Большая часть вакуумных индукционных Тигельных печей относится к низко- и среднева-куумным.

где Н,пе — амплитуда напряженности магнитного поля в зазоре, А/м; для индукционных тигельных печей составляет 10* — 10й А/м; ц — относительная магнитная проницаемость, для расплавленных металлов равна единице; та — 1/ 2^2/^2 — относительный радиус цилиндра; #2 — радиус цилиндра, м; А2 — глубина проникновения тока в расплав, м.

При проектировании индукционных тигельных печей нередко удельную мощность приходится ограничивать из соображений не энергетики, а магнитогидродинамики, так как при увеличении удельной мощности растет и высота мениска, как видно из формулы (14-3). Поэтому в СССР и за рубежом разрабатываются конструкции и схемы тигельных печей с плоской поверхностью зеркала ванны.

14-7. РАБОЧАЯ ЧАСТОТА ТОКА И ПИТАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ

И-20. Схемы колебательных контуров индукционных тигельных печей

Конкуренцию запираемым тиристорам составляют применяемые в тех же классах вентильных преобразователей индукционные тиристоры — ИТ (SITh — Static Induction Thyristor). Эти приборы были разработаны на базе индукционных транзисторов в конце 70-х годов в Японии и имели структуру, сходную с упоминавшимися в разделе 1.4. полевыми тиристорами FCT ( 1.25). Важным преимуществом индукционных тиристоров перед GTO является отсутствие внутренней положительной обратной связи. Это повышает помехоустойчивость ключа и его рабочую температуру до 200°С. Другим важным преимуществом ИТ является малое прямое падение напряжения при относительно высоких пробивных напряжениях. Как и всякий полевой ключ, индукционный тиристор обладает положительным температурным коэффициентом и устойчив к большим импульсным перегрузкам по току. Процесс изготовления многоячейковых структур ИТ в середине 80-х годов был основан на сложной и дорогостоящей планарно-диффу-зионной технологии. Параметры наиболее мощного ключа по предельным токам и напряжению составляли 1500 А и 2500 В. К серьезному недостатку прибора относится его нормальная открытость, т.е. способность проводить ток при нулевом смещении на затворе. Это требует более сложной системы управления и снижает надежность применения.

5. Самый крупный недостаток индукционных тиристоров — нормально открытое состояние — преодолен разработкой монолитной структуры мощного комбинированного ключа, запатентованного под названием MOS Composite Static Induction Thyristor ( 1.47). При этом роль управляющего элемента структуры опять выполняет низковольтный сильноточный МДП-транзистор. Интересно заметить, что эквивалентная схема этого комбинированного ключа практически совпадает с эквивалентной схемой IGBT-транзистора (мы это покажем позже, когда будут рассмотрены структуры ключей). Это говорит о единстве подходов разработчиков разных тех-

Можно даже сделать предположение, что в будущем GTO и МСТ, как представители самого мощного класса управляемых тиристорных ключей, придут в своем развитии к единой структуре. Конечно, эта структура по входной цепи будет управляться мощным МДП-ключом. Мы уже видели это на примере IGBT и индукционных тиристоров. Чтобы перейти на управление с поликремниевым затвором, надо отказаться от принципа токового управления. И в качестве первого шага перейти от формирова-

открытого состояния, близким к диоду. Эта же тенденция наблюдается в тиристорной технологии, где пытаются совместить МДП управляющий ключ с р-/-л-структурой (для индукционных тиристоров) и р-л-р-л-струк-турой (для МСТ- и GTO-тиристоров). Полупроводниковый диод представлял собой первый неуправляемый ключ, положивший начало всему процессу эволюции силовых ключевых приборов. Спираль развития вновь приводит нас к диоду, но уже на более совершенной ступени, где диод является управляемым по поликремниевому затвору.

? Процесс изготовления индукционных тиристоров технологически до-дольно сложен. Он, как и большинство из рассмотренных уже способов создания силовых полупроводниковых структур, основан на планарно-лцффузионной технологии. Значительная мощность, которую должна переключать структура индукционного тиристора, накладывает дополнительные требования, прежде всего связанные с повышением плотности ^>азмещения элементарных ячеек и приданием им более однородных двойств. С точки зрения технологии процесса это означает применение Прецизионных методов (Травления, селективной фпитаксии слоев структуры ^прецизионной фотолитографии.

тиристора. Часть структуры, расположенная над анодным слоем, практически повторяет транзисторный вариант и состоит из высокоомной эпитаксиальной п -области и поверхностных р+-областей затвора (управляющего электрода) и катода (л+-слой). По всей видимости, наличие четырех слоев различной проводимости определили применение слова тиристор в обозначении подобной структуры. Однако важной особенностью индукционного тиристора по сравнению с другими управляемыми вентильными приборами (прежде всего SCR и GTO) является отсутствие внутренней положительной обратной связи Нерегенеративный механизм включения данной структуры позволяет выделить такие важные преимущества, как помехоустойчивость к внешним воздействиям, повышенный диапазон рабочих температур (более 200°С), возможность переключения анодного тока повышенной плотности. Индукционный тиристор сочетает высокую перегрузочную способность по току с быстрым протеканием процессов переключения. Проводящее состояние рассматриваемой структуры обеспечивается простым снятием отрицательного напряжения управления на затворе. При этом со стороны анодного р+-слоя осуществляется инжекция дырок, приводящая к модуляции высо-коомного эпитаксиального лГ-слоя. Так как на пути протекания анодного тока находится всего один р+-л~-переход, прямое падение на открытом SITh значительно меньше, чем у тиристоров с обычной р-п-р-п-структу-рой. Температурная зависимость данного напряжения определяется положительным температурным коэффициентом сопротивления наиболее выскоомного эпитаксиального л~-слоя и отрицательным для р+-п~-пере-хода Результирующее воздействие при высоких плотностях анодного тока всегда положительно, поэтому в структуре наблюдается естественное выравнивание токов между отдельными ячейками. Как результат — способность к большим импульсным перегрузкам по току и повышенная теплостойкость из-за отсутствия эффектов шнурования. Инжекция из анодной области делает необязательной подачу положительного управляющего тока через затвор тиристора для модуляции внутреннего сопротивления открытой структуры (что необходимо в случае с индукционным транзистором). Хотя небольшой положительный ток управления (порядка 2...ЗА) иногда формируется с целью ускорения фронта включения. Сказанное, конечно, относится к нормально открытой структуре SiTh. Существуют также нормально закрытые структуры индукционных тиристоров, не проводящие ток при нулевом смещении на управляющей сетке. Это достигается более плотным размещением ячеек затвора, перекрывающих канал даже собственной областью пространственного заряда. В этом случае положительный отпирающий ток затвора всегда присутствует.

Широкое практическое применение индукционных тиристоров оказалось невозможным не только по причине сложностей технологии изготовления, а значит, и более высокой стоимости, но также и из-за необходимости поддержания отрицательного смещения в цепи затвора при выключенном состоянии ключа. Ведь большинство таких тиристоров имеет нормально открытую структуру. Даже кратковременное отключение отрицательного смещения может вызвать катастрофические последствия в силовой схеме Поэтому усилия разработчиков индукционных тиристорных структур обращены на устранение указанных недостатков.

У IGBT-транзисто-ров, так же как и индукционных тиристоров, температурная зависимость прямого напряжения определяется суммарным температурным коэффициен-

Тиристорные ключи с регенеративным эффектом способны работать при температурах 125...140°С, для индукционных тиристоров максимальная температура структуры повышается до 200°С.

Практическое внедрение индукционных тиристоров, несмотря на их перспективность и более высокие в сравнении с другими тиристорами динамические показатели, оказалось затруднительным главным образом из-за сложности управления и высокой себестоимости.

потенциального барьера до области анодного перехода. Таким образом, времена задержек и фронт включения являются относительно малыми и не превосходят нескольких десятков наносекунд (15...60 не). Более сложной является картина физических процессов выключения, связанная с рассасыванием накопленного избыточного заряда. В индукционном тиристоре (см. раздел 2.2.4) при прямом смещении анодного перехода и обратном управляющего возникает паразитный биполярный р-л-р-транзистор (с эмиттером в виде анода и коллектором—затвором). Процесс отсекания базового вывода (истоковой области тиристора) потенциальным барьером, как уже упоминалось, происходит достаточно быстро. Дальнейшее запирание тиристора происходит аналогично запиранию р-л-р-транзистора с оборванной базой с постоянной времени, равной времени жизни накопленных дырок. В цепи управляющего электрода при этом протекает значительный по амплитуде импульс обратного тока ( 6.25), связанный с процессом экстракции носителей обратносмещенным переходом Поскольку амплитуда обратного тока примерно равна величине тока нагрузки, в мощных ключах на основе индукционных тиристоров следует учитывать влияние сопротивления в цепи генератора RIN, которое в данном случае должно быть значительно уменьшено. Вытекающий обратный ток затвора создает на р+-областях управляющего электрода, имеющих конечное сопротивление, дополнительное падение напряжения, которое совместно с внутренним сопротивлением цепи генератора RIN уменьшает запирающее смещение: