Индукционном регуляторе

типы тиристоров, конечно, не исчерпывают всего многообразия многослойных полупроводниковых структур. Семейство тиристоров непрерывно пополняется, совершенствуется также технология их изготовления. Полупроводниковая структура, принцип действия которой основан на индуцировании электрического поля обратносмещен-ного перехода, которое подобно полю сетки электровакуумной лампы управляет анодным током, получила название индукционного тиристора. И хотя структура данного ключа также содержит четыре характерных слоя и два р-л-перехода, в ней отсутствует механизм регенерации ( 2.43). Получается — тиристор с нерегенеративным механизмом отпирания. Наконец, интеграция дополнительных управляющих ключей в монолитную структуру тиристора позволила получить мощный ключ с изолированным электродом управления. Задача последующих параграфов — познакомить читателя с современными структурами тиристорных ключей. Но начнем с родоначальника этого семейства триодного однонаправленного однооперационного тиристора, который все еще имеет практическое применение в области повышенных {мегаваттных) мощностей.

? 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.

. • Основные разновидности базовых ячеек SITh аналогичны рассмотрен->4ым вариантам элементарных структур индукционных транзисторов, т.е. это конструкции со скрытой, поверхностной и углубленной управляющей полупроводниковой сеткой (затвором). Поэтому ограничимся рассмотрением особенностей структуры индукционного тиристора на примере базовой ячейки с поверхностным затвором ( 2.58). Основным отличием от транзисторного варианта структуры является использование дырочного полупроводникового материала подложки, обозначенного какр+-слой. Обратная сторона подложки покрыта Условное обозначение индукционного тиристора (а), слоем металлизации и поперечное сечение его базовой ячейки (б),

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.

Модуляция сопротивления п -области тиристора инжектированными носителями как со стороны затвора (для нормально закрытых структур), так и со стороны анодного р+-л~-перехода приводит к появлению в данном слое обоих типов носителей. В этом случае процесс выключения структуры будет сопровождаться эффектом коллектирования дырок из гГ-слоя обратносмещенным переходом управляющей сетки. Действительно, в структуре SITh при прямом смещении анодного и обратном — управляющего переходов можно выделить биполярный р-л-р-транзис-тор, соединенный с л-канальным полевым транзистором. При подаче отрицательного напряжения в цепь затвора полевой п-канальный транзистор мгновенно выключается, отсекая базовый вывод р-п-р биполярного прибора Тогда выключение рассматриваемой ячейки индукционного тиристора можно представить как выключение биполярного транзистора с оборванной базой ( 2.59). Динамические характеристики выключения при этом определяются временем жизни дырок в эпитаксиальном п~-слое. Однако чрезмерное уменьшение времени жизни приводит к увеличению остаточных напряжений на открытой структуре. Поэтому оптимальное сочетание коммутационных и статических потерь является актуальным для индукционного тиристора. Эффект коллектирования дырок и рассасывания накопленного заряда всегда сопровождается протеканием относительно большой амплитуды отрицательного тока по цепи затвора тиристора. Для характеристики этого процесса, как и в GTO, используют коэффициент запирания по току. Этот параметр близок к единице для большинства структур SITh. Качественно процесс протекания отрицательного тока в цепи затвора тиристора не отличается от рассмотренного ранее транзисторного варианта, за одним исключением. При очень больших амплитудах этого тока

Конструкция индукционного тиристора как объединение

Для характеристики способности индукционного тиристора находиться в выключенном состоянии используют параметр, называемый коэффициентом запирания по напряжению m (аналог коэффициента блокирования для транзисторных структур). Этот коэффициент математически определяется как отношение блокируемого анодного напряжения к модулю отрицательного управляющего напряжения в цепи затвора, при котором структура надежно заперта (токутечки не превышает некоторого минимального допустимого значения). Коэффициент m зависит от конструкции ячейки и плотности расположения слоев управляющей сетки. При обрыве в цепи катода рассматриваемого тиристора ток через структуру протекать не будет, а на управляющем электроде будет наводиться потенциал, равный отношению анодного напряжения к коэффициенту запирания гл. Так как коэффициент запирания по напряжению для большинства современных структур SITh составляет несколько сотен единиц, потенциал, устанавливаемый на катоде тиристора, невелик (не более 10 .20 В). Указанные физические процессы положены в основу так называемого принципа катодного управления тиристором. Для этого последовательно в катодную цепь SITh включается управляющий МДП-транзистор ( 2.60). По своим электрическим характеристикам он должен обладать способностью

пропускать полный ток полупроводникового ключа. Однако по напряжению это может быть низковольтный транзистор, а следовательно, его вклад в общее прямое падение напряжения при открытом состоянии приборов может быть сведен к минимуму. Заметим, что затвор индукционного тиристора при катодном управлении должен иметь связь с истоком управляющего транзистора для отвода динамического отрицательного тока в переходном процессе выключения. Подобная схема в дискретном исполнении уже была упомянута нами в обзоре первой главы.

Запирающий заряд цепи управления GCT (а) и индукционного тиристора {б)

но включенный индук- индукционного тиристора

Температурная зависимость напряжения насыщения IGBT (а) и индукционного тиристора (б)

в индукционном регуляторе отношение напряжений

Взаимодействие токов ротора с магнитным полем может создавать в индукционном регуляторе значительный вращающий момент, что связано с усложнением поворотного устройства (обычно это самотор-

По сравнению с трансформатором КПД индукционного регулятора значительно ниже из-за наличия воздушного зазора в магнитной цепи. По сравнению с двигателем в индукционном регуляторе кроме потерь в сердечнике статора имеют место значительные потери в сердечнике ротора. Условия охлаждения в регуляторе существенно хуже, чем в двигателе, из-за отсутствия вращения. Для улучшения теплоотдачи индукционных регуляторов средней и большой мощности применяют масляное охлаждение.

Схема замещения такого индукционного регулятора (называемого также поворотным автотрансформатором) показана на 14.39. Обмотки статора и ротора во всех трех фазах соединены между собой последовательно, а на выводы обмотки ротора подано напряжение (/вх питающей сети. Сопоставив эту схему индукционного регулятора со схемой трехфазного автотрансформатора, легко убедиться в их принципиальной тождественности. Обмотка ротора служит первичной обмоткой автотрансформатора, а три свободных вывода обмотки статора являются вторичными выходными выводами устройства. Но в автотрансформаторе отношение первичного и вторичного напряжений постоянно и определяется отношением чисел витков обмоток, а в индукционном регуляторе отношение напряжений U /U зави-

Взаимодействие токов ротора с магнитным полем может создавать в индукционном регуляторе значительный вращающий момент, что связано с усложнением поворотного устройства (обычно это самотор-

По сравнению с трансформатором КПД индукционного регулятора значительно ниже из-за наличия воздушного зазора в магнитной цепи. По сравнению с двигателем в индукционном регуляторе кроме потерь в сердечнике статора имеют место значительные потери в сердечнике ротора. Условия охлаждения в регуляторе существенно хуже, чем в двигателе, из-за отсутствия вращения. Для улучшения теплоотдачи индукционных регуляторов средней и большой мощности применяют масляное охлаждение.

Схема замещения такого индукционного регулятора (называемого также поворотным автотрансформатором) показана на 14.39. Обмотки статора и ротора во всех трех фазах соединены между собой последовательно, а на выводы обмотки ротора подано напряжение U питающей сети. Сопоставив эту схему индукционного регулятора со схемой трехфазного автотрансформатора, легко убедиться в их принципиальной тождественности. Обмотка ротора служит первичной обмоткой автотрансформатора, а три свободных вывода обмотки статора являются вторичными выходными выводами устройства. Но в автотрансформаторе отношение первичного и вторичного напряжений постоянно и определяется отношением чисел витков обмоток, а в индукционном регуляторе отношение напряжений U /U зави-

Взаимодействие токов ротора с магнитным полем может создавать в индукционном регуляторе значительный вращающий момент, что связано с усложнением поворотного устройства (обычно это самотор-

По сравнению с трансформатором КПД индукционного регулятора значительно ниже из-за наличия воздушного зазора в магнитной цепи. По сравнению с двигателем в индукционном регуляторе кроме потерь в сердечнике статора имеют место значительные потери в сердечнике ротора. Условия охлаждения в регуляторе существенно хуже, чем в двигателе, из-за отсутствия вращения. Для улучшения теплоотдачи индукционных регуляторов средней и большой мощности применяют масляное охлаждение.

В рассмотренном индукционном регуляторе одновременно с изменением величины выходного напряжения изменяется и его фаза. В случае если такое изменение нежелательно, применяют сдвоенный регулятор, у которого оба ротора расположены на общем валу. Обмотки ротора обоих регуляторов соединены между собой параллельно, а обмотки статора — последовательно ( 5.11, а), причем фазы этих обмоток подключены к сети с входным напряжением ?/вх так, чтобы направление вращения магнитного поля в обоих регуляторах было противоположным. При этом суммарный вращающий момент на валу сдвоенного регулятора равен нулю, и он не требует специального тор-

В индукционном регуляторе используется трансформаторное действие, оказываемое на проходную обмотку. Напряжение Ut на выходе проходной обмотки равняется сумме напряжения ?Д сети и э, д. с. Е)