Силовая электроника №2'2011

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

Матюхин Cергей

Ставцев Александр


Рассмотрены коммутационные параметры, характеризующие переключение силовых полупроводниковых приборов из проводящего состояния в непроводящее (их выключение) под действием импульса обратного напряжения. Предложена математическая модель, описывающая зависимость этих параметров от силы прямого тока и скорости его спада перед выключением. Описаны разработанные на основе экспериментальных данных алгоритмы восстановления указанной зависимости.

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 [13], в закрытое состояние силовые приборы (диоды, тиристоры) переходят за конечное время trr, необходимое для удаления избыточного заряда Qrr, 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.

Эпюра обратного тока

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 Irr со скоростью di/dt, определяемой приложенным напряжением и параметрами внешней электрической цепи:

Длительность этого этапа равна ts (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 ts 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 Irr практически до нуля [2]:

где tf — 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 ts, tf, trr, Irr и Qrr 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 [24]:

где y — один из коммутационных параметров (Irr, Qrr, trr, ts или tf). При этом коэффициенты am и bn 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 am и bn, 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 Tj полупроводниковой структуры, которая объясняется ярко выраженной зависимостью времени жизни τp неосновных носителей заряда в n-базе СПП [1]: τp ~ Tj3/2.

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

где α, β, γ и δ — экспериментально определяемые параметры модели, которые зависят только от конструктивных особенностей СПП, а ts0 и tf0 — соответственно времена нарастания и спада обратного тока, измеренные при температуре Tj0 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.

Коммутационные параметры тиристора МТ3-500 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока

Рис. 2. Коммутационные параметры тиристора МТ3-500 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока: а) ts; б) tf; в) trr; г) Qrr (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 Tj = 298 К)


 Коммутационные параметры тиристора ТБИ173 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока

Рис. 3. Коммутационные параметры тиристора ТБИ173 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока: а) ts; б) tf; в) trr; г) Qrr (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 Tj = 298 К)


Коммутационные параметры диода Д353 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока

Рис. 4. Коммутационные параметры ts, tf, trr и Qrr диода Д353 в зависимости от скорости di/dt спада прямого тока: а) ts; б) tf; в) trr; г) Qrr (I = 800 А, Tj = 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 ts1(I1) и время его спада tf1(I1) при температуре полупроводниковой структуры Tj1, при силе прямого тока I1 и скорости его спада (di1/dt)1. Пусть измеренные значения ts2(I1) и tf2(I1) соответствуют температуре Tj1 при силе прямого тока I1 и скорости его спада (di1/dt)2, значения ts1(I2) и tf1(I2) — температуре Tj2 при силе прямого тока I2 и скорости его спада (di2/dt)1, а ts2(I2) и tf2(I2) — температуре Tj2 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 trr(I, di/dt, Tj) переходного процесса выключения СПП. По формулам (2) и (5) могут быть рассчитаны максимальное значение обратного тока Irr(I, di/dt, Tj) и избыточный заряд Qrr(I, di/dt, Tj), 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 ts и tf 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 ts и tf 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.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_2_20.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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