Силовая электроника №2'2005

Причины отказов силовых тиристоров в режимах включения с высокими значениями скорости нарастания тока в преобразователях напряжения

Николай Беспалов


Надежность силовых тиристоров, использующихся в режимах включения с повышенными значениями скорости нарастания тока в открытом состоянии diT/dt, во многом определяется электрическими и термическими процессами, происходящими в области первоначального включения (ОПВ). Статистика показывает, что около 50% всех отказов силовых тиристоров в электрических преобразователях напряжения вызваны термически активируемыми эрозионными процессами в области управляющего электрода (УЭ). Знание этих процессов и причин их возникновения позволяет выявить потенциально ненадежные приборы и определить предельно допустимые режимы эксплуатации силовых тиристоров, при которых достигаются требуемые значения показателей надежности.


Особенности процесса включения силовых тиристоров

Включение силовых тиристоров импульсом тока управления осуществляется в ОПВ, которая формируется вдоль границы раздела управляющего p-n перехода полупроводниковой структуры (ПС) силовых тиристоров. Площадь ОПВ много меньше активной площади ПС, а радиальная скорость распространения включенного состояния не превышает величину 0,1 мм/мкс, поэтому на этапе включения при протекании тока в открытом состоянии iT с высокой скоростью нарастания diT/dt в ОПВ возникают повышенные электрические потери. Этот эффект обусловливает возникновение в ОПВ ПС различных термически активируемых де-градационных процессов, развитие которых при определенных условиях приводит к существенному изменению параметров тиристора при эксплуатации и обусловливает возможность их отказов.

Основным путем снижения перегрева ПС силового тиристора при включении является увеличение площади первоначального включения (ППВ) тиристора. Конструктивные размеры периметра управляющего p-n перехода Ppn предопределяют величину ППВ (S0), которую можно приближенно оценить по формуле S0 = PpnX0, где X0 — ширина ОПВ. При соответствующем выборе оптимальных значений параметров импульсов тока управления возможно достижение максимальной ППВ. Однако в ходе изготовления ПС в области УЭ возникают различного рода неконтролируемые технологические дефекты ПС и металлизации УЭ и катода, которые усугубляют неоднородность процесса включения. Это приводит к существенному уменьшению и разбросу величин ППВ тиристора одного типа относительно теоретической максимально возможной величины, которая устанавливается на этапе проектирования прибора и, соответственно, к увеличению электрических потерь в ОПВ, при прочих равных внешних условиях включения силового тиристора. Так, например, экспериментальные оценки величин ППВ для широко применяемых силовых тиристоров Т454-800 показывают их возможный разброс от 1 мм2 до 8 мм2. Это обусловливает вариацию предельных величин параметров внешнего электрического режима включения, например критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (diT/dt)critу силового тиристора  одного типа.

Отсутствие объективной информации о параметрах ОПВ серийных силовых тиристоров не позволяет оценить и предельный параметр (diT/dt)crit тиристоров одного типа с учетом вариации дефектности приборов в области УЭ. Это обстоятельство обусловливает различный ресурс силовых тиристоров одного типа при эксплуатации в режимах с повышенными значениями diT/dt.

Размеры ОПВ конкретных силовых тиристоров одного типа зависят также и от величин параметров импульсов тока управления: амплитуды IGM, скорости diG/dtнарастания и длительности тu, а также от напряжения на тиристоре в закрытом состоянии UDM перед включением. Необходимо особо отметить, что технологические нарушения и дефекты ПС и металлизации в области УЭ определяют и величины параметров вольтамперной характеристики (ВАХ) УЭ силовых тиристоров. Это существенно влияет на процесс формирования тока в цепи УЭ при подаче импульсов с выходных каскадов систем управления преобразователей напряжения, выполняемых обычно по схеме преобразователя напряжения.

Поскольку величина критической скорости нарастания тока (diT/dt)critв открытом состоянии является важнейшим предельным параметром силовых тиристоров, представляет интерес рассмотрение причин, приводящих к разрушению тиристоров при повышенной скорости нарастания тока diT/dt.

На рис. 1 в разрезе показана упрощенная конструкция p-n-p-n структуры силовых тиристоров в области УЭ и распределение токов по структуре при включении на этапе нарастания тока. Обычно длина Ln свободного от металлизации участка n - эмиттера больше ширины X0 ОПВ, поэтому ток в открытом состоянии iT и управляющий ток iG на этапе включения протекают через включенный участок в виде тангенциального поверхностного тока вдоль свободного от металлизации участка Ln n - эмиттера. Это обусловлено и характером распределения концентраций легирующих примесей в n - эмиттере, которое описывается функцией Гаусса. Ввиду того, что исходная концентрация примеси на поверхности полупроводника в области участка Ln n - эмиттера выше, чем вблизи p-n управляющего перехода, протекание тангенциального тока дополнительно локализуется в приповерхностном слое участка Ln n - эмиттера. Дополнительным фактором локализации токов на этапе нарастания является протекание высокочастотных гармонических составляющих этих токов по поверхности свободного от металлизации участка n - эмиттера. Эти факторы приводят к концентрированию выделения энергии потерь в приповерхностном объеме свободного от металлизации n - эмиттера. При отсутствии технологических нарушений («идеальное» исполнение) в конструкции p-n-p-n структуры тиристора в области УЭ должно наблюдаться равномерное распределение плотности поверхностного тангенциального тока на этапе включения (рис. 2а), что обеспечивает равномерность ширины Х0 ОПВ вдоль периметра управляющего p-n перехода. На практике же одним из часто встречающихся технологических нарушений конструкции УЭ является сдвиг R0 металлизации УЭ и катода относительно управляющего p-n перехода (рис. 2б). Другим нарушением является неравномерность формирования управляющего p-n перехода вдоль УЭ и металлизации. Эти технологические нарушения приводят к неравномерности распределения плотности поверхностного тангенциального тока iT, что существенно усугубляет локальность тепловыделения в приповерхностных участках n - эмиттера тиристора при включении.

Рис. 1 Упрощенная конструкция p-n-p-n структуры силовых тиристоров в области УЭ
Рис. 2

Процесс эрозии кремния и причины разрушения тиристорной структуры

Под процессом эрозии кремния понимается плавление и выброс расплава кремния на свободном от металлизации участке n - эмиттера тиристора, вызванные концентрированным выделением энергии потерь в приповерхностном объеме n - эмиттера, свободного от металлизации при протекании вдоль него тангенциального тока iT до момента времени достижения включенного состояния границы катодной металлизации.

Понятно, что причиной эрозии является ток iT , возрастающий при включении с определенной скоростью. Обычно разработчики преобразователей напряжения на основе силовых тиристоров, зная об «эффекте di/dt», специальными реакторами ограничивают скорость нарастания составляющей тока, протекающей в нагрузке. Для устранения возможности включения силовых тиристоров от другого эффекта — «du/dt», тиристоры традиционно шунтируются демпфирующими RC-цепями. При включении тиристора емкости этих цепей через токоограничивающие резисторы разряжаются в их ОПВ. В результате этого при работе в преобразователе напряжения через силовые тиристоры на этапе включения протекает два тока — ток нагрузки, скорость нарастания которого ограничена реактором, и разрядный ток емкости демпфирующей цепи, скорость нарастания которого ограничена только паразитной индуктивностью разрядной цепи. Таким образом, скорость нарастания общего тока через тиристор может существенно превышать предельно допустимую величину (diT/dt)crit. Кратковременное протекание этого общего тока на этапе включения силового тиристора вызывает выделение в приповерхностном слое свободного от металлизации n - эмиттера энергию потерь и при определенных условиях эрозию кремния в ОПВ.

Так как глубина протекания тангенциального тока iTпо поверхности n - эмиттера невелика, то расплавляются и разрушаются вначале только поверхностные участки. При этом образуются характерные эрозионные каналы, образующиеся вдоль свободных от металлизации участков n - эмиттеров. На рис. 3 представлена фотография области УЭ тиристора типа Т453-800 с характерными эрозионными каналами. Визуально этот процесс сопровождается образованием искр и углублением каналов в области УЭ с течением времени. При этом наблюдается увеличение одного из параметров критерия годности тиристора — отпирающего тока управления IGT. При достижении эрозионными каналами глубины зоны запорного слоя второго p-n перехода тиристорной структуры начинает увеличиваться ток в закрытом состоянии IDR и снижаться напряжение переключения UBR, что уменьшает повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии UDRM, величина которого определяет класс прибора по напряжению. Пробой структуры в области УЭ, вызывающий катастрофический отказ тиристора, возникает при снижении UBR до максимальной величины напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии при работе в преобразователе напряжения. Этот процесс, в зависимости от условий включения, может длиться от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет, эксплуатации силового тиристора. На рис. 4 представлены фотографии тиристора серии Т143-630, отказавших в результате описанного выше эффекта.

Рис. 3
Рис. 4

Заключение

Для снижения вероятности возникновения такого рода отказов силовых тиристоров в преобразователях напряжения требуется решение следующего комплекса задач.

Этапы проектирования и модернизации преобразователей напряжения

На этих этапах работ необходимо применить в системах управления выходные каскады, которые способны формировать импульсы тока управления с амплитудой не менее 1 А и скоростью нарастания не менее 1 А/мкс вне зависимости от изменения параметров соединительных линий и ВАХ УЭ. Это обеспечивает формирование максимально возможных величин ППВ всех современных тиристоров, что снижает потери электрической энергии в их структурах при включении. Для решения этой задачи, например, Научно-инженерный центр «Электронное приборостроение» Мордовского государственного университета разработал выходные трансформаторные каскады на основе управляемых однотактных или двухтактных импульсных источников тока, которые обеспечивают требуемые значения параметров тока управления любых современных тиристоров для их надежного включения.

Для ограничения энергии потерь в ОПВ силовых тиристоров следует принять дополнительные меры, которые предусматривают ограничение скорости нарастания разрядных токов емкостей демпфирующих RC-цепей. Например, в эти цепи нами предлагается включать последовательно реакторы с необходимыми значениями индуктивности.

Этап входного контроля тиристоров

На этом этапе работ требуется проведение отбраковки потенциально ненадежных тиристоров с аномально низкими значениями ППВ. Для решения этой задачи нами предлагается методика и аппаратура для определения ППВ по параметрам переходного процесса включения, определяемым в специальном тестовом режиме.

Реализация этих мер может существенно повысить вероятность безотказной работы силовых тиристоров в преобразователях напряжения.

Литература

  1. Бардин В. М. Надежность силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1978. 96 с.
  2. Грехов И. В. Физические процессы в мощных кремниевых приборах с p-n переходами: Автореф. дис. … докт. физ.-мат. наук. — Л.: ЛФТИ. 1972. 36 с.
  3. Плоткина Н. З., Цзин Ю. Д. Испытания силовых тиристоров на di/dt-стойкость // Труды НИИПТ. Л.: Энергоиздат. 1981. С. 68-74.
  4. Дерменжи П. Г., Кузьмин В. А., Крюкова Н. Н, Мамонов В. И., Павлик В. Я. Расчет силовых полупроводниковых приборов. / Под ред. В. А. Кузьмина М.: Энергия. 1980. 184 с.
  5. Беспалов Н. Н., Гейфман Е. М. Экспериментальное исследование площади начального включения и потерь в тиристорах при включении по цепи управления // Электротехника. 1995. № 1. С. 48-51.
  6. Беспалов Н. Н., Гейфман Е. М. Метод и аппаратура для неразрушающего определения di/dt-стойкости силовых тиристоров // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Труды IV Межд. конф. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 1998. Т. 7. С. 39-40.


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо