Силовая электроника №4'2012

Оптимизация параметров мощного лавинного диода для работы в многофазных выпрямителях на средних частотах

Гришанин Алексей

Мартыненко Валентин

Меркулова Олеся

Чумаков Геннадий


В работе представлены результаты экспериментальных исследований по оптимизации параметров низкочастотных лавинных диодов таблеточной конструкции, применяемых в выпрямителях для преобразования трехфазного напряжения частотой до 500 Гц в схемах возбуждения мощных электрических машин. Изучено влияние режимов облучения полупроводниковых структур ускоренными электронами на выходные характеристики диодов. Определены статические и динамические потери мощности в лавинных диодах при их работе на средних частотах, найдены технологические режимы облучения электронами, позволяющие минимизировать суммарные потери и существенно снизить температуру полупроводниковых структур при работе выпрямителя в номинальном режиме и режиме форсировки.

Введение

ОАО «Электровыпрямитель» разрабатывает и производит большую гамму силовых полупроводниковых приборов — СПП (диодов, тиристоров, симисторов, транзисторов, динисторов и др.), которые работают в различных преобразователях электрической энергии в широком диапазоне частот. При выборе силовых диодов или тиристоров каждый потребитель, как правило, учитывает режим работы своего преобразователя, в том числе и частоту коммутации тока. Выпускаемые сегодня мощные СПП делятся на низкочастотные и высокочастотные приборы и в основном полностью обеспечивают режимы коммутации в диапазоне частот 50 Гц –20 кГц и выше для всех производимых преобразователей.

Тем не менее имеются преобразователи, работающие на средних частотах коммутации, к которым можно условно отнести диапазон частот 200–500 Гц. В этих преобразователях, как правило, используются низкочастотные диоды и тиристоры, обладающие очень малыми статическими потерями, что зачастую и определяет их выбор для этих применений.

К таким устройствам можно отнести выпрямители серии ТПЕД, предназначенные для преобразования трехфазного напряжения частотой до 500 Гц в выпрямленное напряжение в схемах возбуждения турбогенераторов мощностью до 320 МВт. В этих преобразователях используются мощные лавинные диоды типа ДЛ153-2000. В процессе разработки этих выпрямителей было установлено, что полупроводниковые структуры обычных лавинных диодов при работе выпрямителя, как в режимах форсировки, так и в номинальном (длительном) режиме на частотах 300–500 Гц имели достаточно высокие рабочие температуры. Эти температуры не превышали предельно допустимых значений (+175 °С), но вызывали у потребителя законные опасения по поводу снижения ресурса преобразователя, если учесть известный экспоненциальный рост интенсивности отказов полупроводниковых приборов с повышением рабочей температуры кремниевой структуры (или мощности потерь, выделяемой в приборе).

Для обеспечения надежной работы лавинных диодов ДЛ153-2000 в выпрямителях ТПЕД были проведены исследования путей снижения мощности потерь и температуры полупроводниковой структуры диодов, работающих на частоте 500 Гц, до минимально возможных значений. В программу исследований были включены: легирование диодных структур радиационными дефектами; измерения времени жизни неосновных носителей заряда (τp) в высокоомной n-базе диода методом Лэкса; измерения статических и динамических параметров диодов (VFM, VТ0, rТ, QRR). Определение суммарной мощности потерь и температуры полупроводниковой структуры диода ДЛ153-2000 в сборке с охладителем О153 при естественном охлаждении производилось расчетно-экспериментальным путем с учетом номинального режима работы преобразователя ТПЕД и режима форсировки.

Методика эксперимента

Временная диаграмма токов, протекающих через диоды, для указанных выше режимов показана схематично на рис. 1.

 Временная диаграмма токов

Рис. 1. Временная диаграмма токов, протекающих через диод в выпрямителе ТПЕД на частоте 500 Гц

Номинальный режим

В расчетах мощности потерь и рабочей температуры диода в номинальном режиме работы учитывались следующие значения параметров выпрямителя: VRRM = 1000 В, V0 = 600 В, IF(AV) = 182 А, f = 500 Гц. Скорость нарастания обратного тока diR/dt = 4,8 А/мкс. Коэффициент формы тока kф = 1,41.

Температура полупроводниковой структуры диода в номинальном режиме рассчитывалась по формуле:

где Тa — максимальная температура окружающей среды (Тa = +35 °С); ΔTj(n) — приращение температуры полупроводниковой структуры для номинального режима, которое определяется как

где Rth(j–a) — тепловое сопротивление «переход–окружающая среда»; Ptot(n) — средняя cуммарная мощность потерь в номинальном режиме, выделяемая в диоде при протекании прямого тока и в процессе обратного восстановления, складывающаяся из статической (PF) и динамической (PR) мощностей потерь:

Расчет средней статической мощности PF производился по формуле:

где VTO — пороговое значение напряжения; rТ — динамическое сопротивление; IF(AV) — среднее значение тока; kф — коэффициент формы.

Измерения VТO, rТ производились в соответствии с ГОСТ 24461-80 в диапазоне амплитудных значений токов 500–1000 А.

Определение средней мощности потерь при обратном восстановлении PR производилось по формуле:

где f — частота следования импульсов тока обратного восстановления; ERR — энергия потерь при обратном восстановлении.

Энергия потерь при обратном восстановлении определялась в соответствии с разработанной методикой определения тока, времени, заряда и энергии обратного восстановления для случая нелинейного спада импульса прямого тока в эквивалентном режиме по формуле:

где tp — длительность импульса тока обратного восстановления, pRR(t) = iRR(t) × vRR(t) — мгновенная мощность потерь при обратном восстановлении.

Режим форсировки

В режиме форсировки учитывались следующие значения параметров выпрямителя: VRRM = 1500 В, V0 = 1000 В, IF(AV) = 331 А, f = 500 Гц. Скорость нарастания обратного тока diR/dt = 9,6 А/мкс. Время форсировки tf = 20 с. Коэффициент формы тока kф = 1,41.

Температура полупроводниковой структуры диода в режиме форсировки рассчитывалась по формуле:

где ΔTj(f) — приращение температуры полупроводниковой структуры, которое определялось как

где Zth(j-a) — переходный тепловой импеданс «переход–окружающая среда» (Zth(j-a) = 0,085 °С/Вт для времени форсировки tf = 20 c).

где Ptot(f), Ptot(n) определялись по формулам (3, 4).

Энергия потерь при обратном восстановлении ERR в режиме форсировки рассчитывалась по формуле (6).

В расчетах использовались параметры и характеристики диода ДЛ153-2000 и охладителя О153, приведенные в каталогах и на сайте ОАО «Электровыпрямитель».

Результаты исследований

С целью оптимизации параметров лавинных диодов для работы на средних частотах использовался действующий в ОАО «Электровыпрямитель» технологический процесс легирования полупроводниковых структур радиационными дефектами на ускорителе электронов «Электроника У-003». Энергия 5–6 МэВ и разброс плотности пучка ускоренных электронов по площади не более 10% обеспечивали однородное легирование полупроводниковых структур диодов радиационными дефектами, являющимися центрами рекомбинации неравновесных носителей заряда. Контролируемое введение радиационных дефектов позволяло гибко управлять временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых структурах приборов и, соответственно, всей системой электрических параметров диодов. Облучение диодных структур электронами с последующей термической обработкой производилось последовательно в несколько этапов. Статические и динамические параметры измерялись на одних и тех же приборах до облучения и после каждого этапа облучения. Доза облучения варьировалась временем экспозиции.

Результаты исследований представлены на рис. 2–7. На рис. 2 показан график зависимости времени жизни неосновных носителей заряда в высокоомной n-базе диода от времени экспозиции облучения электронами. График показывает, что в процессе электронного облучения диодных структур на ускорителе в течение первых 80 с происходит резкое (почти в 10 раз) снижение времени жизни неосновных носителей заряда. Дальнейшее увеличение времени экспозиции облучения электронами слабо влияет на величину τp.

 График зависимости времени жизни неосновных носителей заряда

Рис. 2. График зависимости времени жизни неосновных носителей заряда от времени экспозиции облучения электронами

На рис. 3 показана кривая взаимосвязи (trade-off) между прямым падением напряжения и зарядом обратного восстановления диода ДЛ153-2000, построенная по результатам измерений QRR и VFM в номинальном режиме до и после каждого этапа облучения электронами. Выбор рабочей точки на этой кривой может быть предметом исследований с целью оптимизации времени экспозиции облучения электронами и системы параметров диодов для каждого конкретного режима эксплуатации преобразователя.

 Взаимосвязь заряда обратного восстановления диода и прямого падения напряжения

Рис. 3. Взаимосвязь заряда обратного восстановления диода и прямого падения напряжения

Экспериментальные зависимости VFM = fp), VTO = fp), rT = fp) и Qrr = fp) представлены соответственно на рис. 4 и 5. Характер этих зависимостей соответствует хорошо известным физическим процессам в полупроводниковых приборах, описанным в работах отечественных и зарубежных исследователей, в том числе в книге известного специалиста в области силовой электроники B. J. Baliga [1].

 Зависимости заряда обратного восстановления диода и прямого падения напряжения

Рис. 4. Зависимости заряда обратного восстановления диода и прямого падения напряжения от времени жизни неосновных носителей заряда
 Зависимости порогового напряжения и динамического сопротивления

Рис. 5. Зависимости порогового напряжения и динамического сопротивления от времени жизни неосновных носителей заряда

Далее будут представлены расчетные зависимости мощности потерь и максимальной рабочей температуры диодов ДЛ153-2000 не от τp, а от времени экспозиции облучения электронами, поскольку такие зависимости более удобны с точки зрения практического применения в производстве и при поставках полупроводниковых приборов под конкретные заказы.

Как уже говорилось, для расчета максимальной температуры полупроводниковой структуры диода определялась суммарная мощность потерь, выделяемая в диоде при протекании прямого тока и в процессе обратного восстановления. Представляет интерес взаимосвязь этих потерь с электрическими параметрами, непосредственно влияющими на них. На рис. 6 представлена зависимость статической мощности потерь диода ДЛ153-2000 от величины прямого падения напряжения; на рис. 7 — зависимость динамической мощности потерь от величины заряда обратного восстановления при работе выпрямителя в длительном режиме и в режиме форсировки. Полученные зависимости (рис. 6) хорошо описываются линейными функциями с достоверностью аппроксимации R2 = 0,98. Для зависимостей на рис. 7 достоверность R2 = 0,96, что также характеризует высокую степень соответствия значений, полученных с помощью аппроксимирующих функций, с данными результатов измерений.

 Зависимость статической мощности потерь диода ДЛ153-2000

Рис. 6. Зависимость статической мощности потерь диода ДЛ153-2000 от прямого падения напряжения в номинальном режиме PF(n) и режиме форсировки PF(f)
 Зависимость динамической мощности потерь диода ДЛ153-2000 от заряда обратного восстановления

Рис. 7. Зависимость динамической мощности потерь диода ДЛ153-2000 от заряда обратного восстановления в номинальном режиме PR(n) и режиме форсировки PR(f)

На рис. 8 показаны графики зависимостей от времени экспозиции электронного облучения статической, динамической и суммарной мощностей потерь в диодах ДЛ153-2000 при работе в трехфазном выпрямителе ТПЕД в номинальном режиме на частоте 500 Гц. Видно, что статическая мощность потерь линейно растет, а динамическая экспоненциально уменьшается с увеличением времени экспозиции. Эти две тенденции дают минимум на кривой суммарной мощности Ptot = ƒ(tex), который соответствует времени экспозиции электронного облучения 2 мин. 40 с, или времени жизни неосновных носителей заряда в высокоомной n-базе диода τp = 9 мкс (рис. 2).

 Зависимость мощности потерь в диодах ДЛ153-2000 на частоте 500 Гц

Рис. 8. Зависимость мощности потерь в диодах ДЛ153-2000 на частоте 500 Гц от времени экспозиции облучения электронами

Расчетные значения максимальной температуры кремниевой структуры диода ДЛ153-2000 при работе выпрямителя в номинальном режиме и режиме форсировки в зависимости от времени экспозиции представлены на рис. 9. Так же как и кривая суммарной мощности (рис. 8), графики имеют минимумы на температурных кривых Tj = ƒ(tex), практически совпадающие по времени экспозиции с минимумом на кривой Ptot = ƒ(tex).

 График зависимости температуры кремниевой структуры

Рис. 9. График зависимости температуры кремниевой структуры от времени экспозиции облучения электронами

Используя представленные в данной статье результаты исследований, были минимизированы суммарные потери мощности диодов ДЛ153-2000 для надежной работы в выпрямителях серии ТПЕД, предназначенных для преобразования трехфазного напряжения частотой до 500 Гц в схемах возбуждения мощных турбогенераторов.

Выводы

В результате выполненной работы определен технологический режим облучения кремниевых структур диодов ДЛ153-2000 ускоренными электронами, который позволил улучшить систему параметров диодов, предназначенных для работы в выпрямителе ТПЕД на средних частотах. При этом суммарная мощность потерь во всех режимах работы выпрямителя была уменьшена на 35–37%, а максимальная рабочая температура полупроводниковой структуры диодов ДЛ153-2000 снижена на 26–28%.

Полученные результаты подтвердили эффективность использования электронного облучения кремниевых структур в технологии производства силовых полупроводниковых приборов.

Литература

  1. B. J. Baliga. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. Springer. 2008.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_04_42.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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