Исследования мощных фототиристоров в предельных импульсных режимах работы

№ 3’2019
PDF версия
В статье представлены результаты исследований мощных тиристоров с прямым управлением светом в предельных режимах работы высоковольтных коммутаторов больших импульсных токов, значительно превышающих рабочий режим. Исследовались четырехдюймовые 4,5-кВ импульсные фототиристоры, предназначенные для 100-кА/12-кВ разрядных ключей емкостных накопителей электрической энергии с временами разрядного процесса до 1 мс. Разработана методология тестовых испытаний импульсных фототиристоров, позволяющая выявлять потенциально ненадежные приборы.

Введение

В настоящее время мощные тиристоры с электрическим (ETT) и прямым оптическим управлением (LTT) широко применяются в качестве разрядных ключей в системах накопления и коммутации электрической энергии в различных технологических и электрофизических установках. Схема и конструкция этих ключей, а также режим работы тиристоров определяются назначением и техническими характеристиками системы коммутации. Как правило, к тиристорному ключу антипараллельно подсоединяется высоковольтная диодная сборка [1], либо разрядный ключ изготавливается на основе импульсных тиристоров с обратной проводимостью [2]. В обоих случаях реализуется «легкий» для тиристоров режим коммутации импульсных токов без приложения обратного напряжения.

В некоторых импульсных применениях по разным причинам инверсные диоды не могут быть использованы [3, 4]. Тогда, после протекания импульса прямого тока, к прибору прикладывается отрицательное напряжение, запускающее процесс выключения тиристора с высокой скоростью спада прямого тока.

Режим работы тиристоров в мощных системах коммутации характеризуется переключением импульсов тока амплитудой до 100 кА и более, длительностью от нескольких десятков до сотен микросекунд. В этом случае отрицательное напряжение в сочетании с высокой скоростью спада прямого тока вызывает большой пиковый обратный ток тиристора и, как следствие, опасные индукционные всплески напряжения на нем.

На рис. 1 представлен разрядный ключ на основе четырехдюймового 4,5-кВ фототиристора LTT [5], предназначенный для работы в режиме коммутации 100 кA/12 кВ. На рис. 2 показаны осциллограммы тока и напряжения в упомянутом LTT-ключе, полученные при тестировании батареи противотока системы защитного вывода энергии ITER [6].

100-кА/12-кВ разрядный ключ

Рис. 1.
а) 100-кА/12-кВ разрядный ключ;
б) 4-дюймовый 4,5-кВ фототиристор

Тестирование батареи проводилось в режиме короткого замыкания. В этом режиме проходящий через ключ ток имел форму одной полуволны синусоиды. При тестировании выключение фототиристоров сопровождалось появлением обратного напряжения на ключе, близкого по величине напряжению заряда конденсатора, с добавлением импульса перенапряжения, вызванного обратным восстановлением тиристоров в цепи с индуктивностью. Как видно на рис. 2, пик обратного напряжения на LTT-ключе достигает 20 кВ.

Осциллограммы тока и напряжения на 100-кА/12-кВ разрядном LTT-ключе при тестировании конденсаторной батареи противотока [6]

Рис. 2. Осциллограммы тока и напряжения на 100-кА/12-кВ разрядном LTT-ключе при тестировании конденсаторной батареи противотока [6]

Напряжение, которое может выдерживать ключ, состоящий из шести последовательно соединенных фототиристоров с VRSM ≈ 6 кВ, равно 36 кВ. Так что имеется 1,8-кратный запас по напряжению, который должен обеспечивать надежную работу коммутатора. Проведенные измерения пиков перенапряжений на каждом из шести фототиристоров при коммутации тока 100 кА и последующем обратном восстановлении показали также, что их значения находились в диапазоне 3–4 кВ и не превышали предельно допустимой величины VRSM. Тем не менее испытания в этом режиме первых опытных образцов LTT в составе разрядных ключей у потребителя показали, что в некоторых ключах имел место пробой одного или двух фототиристоров из шести включенных последовательно. Это притом, что на приборах проводились полный набор стандартных испытаний статических и динамических параметров в соответствии с IEC 60747-6 и тщательный подбор LTT по параметрам обратного восстановления.

Для выяснения возможных причин выхода фототиристоров из строя проведены исследования:

  • прямой вольт-амперной характеристики LTT при высоких плотностях тока, значительно превышающих рабочий режим коммутаторов;
  • устойчивости LTT к воздействию перегрузок обратным напряжением импульсной мощностью 0,5–3 МВт;
  • стойкости LTT в режиме переключения больших импульсов токов с высокими скоростями коммутации при обратном восстановлении.

 

Измерительная установка

Исследования прямой вольт-амперной характеристики и коммутирующей способности LTT с приложением обратного напряжения проводились на конденсаторной установке, построенной в ПАО «Электровыпрямитель». Силовая часть схемы и внешний вид установки показаны на рис. 3, 4.

Принципиальная схема силовых ячеек

Рис. 3. Принципиальная схема силовых ячеек

Установка для импульсных испытаний силовых полупроводниковых приборов

Рис. 4. Установка для импульсных испытаний силовых полупроводниковых приборов:
а) шкаф управления;
б) силовые ячейки

Испытательный стенд состоит из восьми силовых ячеек, зарядного устройства, системы управления, системы измерений, компьютера с программой управления, сбора и обработки данных (рис. 5).

Блок-схема установки

Рис. 5. Блок-схема установки

Силовая ячейка содержит:

  • батарею конденсаторов суммарной емкостью 2 мФ, с напряжением заряда 9000 В;
  • дроссель с индуктивностью 7 мкГн;
  • блок контакторов для подключения тиристорного ключа, разделительного и кроубарного диодов;
  • датчики контроля контакторов, напряжения заряда конденсаторной батареи.

Зарядное устройство обеспечивает заряд конденсаторной батареи до 5000 В с максимальной зарядной мощностью 5 кДж/с.

Система управления состоит из шкафа автоматики и компьютера (рис. 4а). Она осуществляет контроль заряда конденсаторной батареи, управление контакторами, контроль состояния контакторов, включение тиристорного ключа в каждой силовой ячейке.

Система измерений состоит из осциллографа Tektronix DPO 3014, высоковольтного делителя напряжения LeCroy PPE 5 кВ с коэффициентом деления 100:1, пояса Роговского PEM CWT1500xB с чувствительностью 0,02 мВ/A.

Программа управления системой позволяет реализовать следующие действия и виды испытаний:

  • выборочно подключать силовые ячейки к испытуемому прибору;
  • задавать и контролировать величину напряжения заряда при заряде конденсаторных батарей;
  • конфигурировать включение контакторов в силовых ячейках согласно выбранному виду испытаний и контролировать их состояние;
  • включать тиристорные ключи в выбранных силовых ячейках;
  • формировать задержку включения тиристорного ключа каждой силовой ячейки индивидуально в пределах 0–100 мкс с шагом 20 нс;
  • получать результаты измерений тока и напряжения от осциллографа с их сохранением;
  • контролировать состояние диодных сборок и тиристорного ключа в каждой силовой ячейке и в случае выхода их из строя сообщать об этом оператору и останавливать процесс испытаний.

Восемь силовых ячеек подключено параллельно на испытуемый прибор силовым коаксиальным кабелем. При одновременном включении всех силовых ячеек испытательный стенд имеет следующие электрические параметры: общая емкость конденсаторов 16 мФ, запасенная энергия 200 кДж, максимальное амплитудное значение разрядного тока 400 кА при напряжении заряда конденсатора до 5000 В. Форма импульса тока близка к синусоиде, длительность у основания импульса (0,1 амплитуды) — 520 мкс. Испытуемый фототиристор включается импульсом лазерного излучения длиной волны 900–980 нм, мощностью 200 мВт и длительностью 50 мкс.

Цикл испытания следующий. По команде оператора программа управления конфигурирует испытательный стенд согласно заданному виду испытаний. Далее производится заряд выбранных силовых ячеек. По окончании заряда компьютер отключает зарядное устройство и формирует цикл запуска. В данном цикле выдаются лазерные импульсы на LTT-ключи выбранных силовых ячеек. Силовые ячейки разряжаются через испытуемый LTT, а осциллограф производит регистрацию протекающих процессов, таких как силовой ток через испытуемый прибор и напряжение, приложенное к испытуемому прибору. По окончании цикла силовые ячейки разряжаются, контакторы выключаются, и осциллограф передает на компьютер результаты измерений.

 

Экспериментальные результаты

Нагрузочная способность фототиристоров

Важнейшим условием надежной работы разрядного ключа является высокая устойчивость фототиристоров к воздействию импульсных токов. Она определяется максимальной температурой полупроводниковой структуры, которая зависит от параметров протекающих импульсов тока (амплитуда, длительность, форма) и собственных характеристик LTT, прежде всего прямого падения напряжения.

Для подтверждения специфицированных (рабочих) значений импульсов тока, а также определения предельных и разрушающих коммутируемых токов проведены нагрузочные испытания и измерения прямой вольт-амперной характеристики LTT в широком диапазоне токов, в том числе при амплитудах тока, значительно превышающих рабочий режим разрядного ключа.

Фототиристоры включались импульсами света мощностью 200 мВт и коммутировали редко повторяющиеся импульсы тока до 170 кА. При этом измерялись импульсный ток и прямое падение напряжения. По форме импульса напряжения, его максимальному значению и смещению пика напряжения относительно пика импульса тока определялся предельно допустимый коммутируемый ток LTT, выше которого прибор может выйти из строя.

На рис. 6–8 показаны импульсы тока и прямого падения напряжения на LTT соответственно в режимах: рабочем, предельном и токовой перегрузки, при которой происходит шнурование тока и пробой прибора.

На рис. 6 форма кривой падения напряжения практически полностью соответствует хорошо известной стандартной кривой падения напряжения при включении тиристора. Имеет место лишь небольшой сдвиг пика напряжения вправо относительно пика тока, что связано с нагревом кремниевой структуры LTT от протекающего тока.

Импульсы тока и прямого падения напряжения в рабочем режиме: Ip = 122 кА, VT = 13,5 В (I — 25 кА/дел., V — 5 В/дел., t — 0,1 мс/дел.)

Рис. 6. Импульсы тока и прямого падения напряжения в рабочем режиме: Ip = 122 кА, VT = 13,5 В (I — 25 кА/дел., V — 5 В/дел., t — 0,1 мс/дел.)

На осциллограмме рис. 7 видно, что в предельном режиме джоулевый разогрев кремниевой структуры LTT приводит к запуску термогенерационный процесс, который искажает форму импульса прямого падения напряжения с возникновением справа на кривой характерного пика напряжения. В данном примере фототиристор сохранил свои блокирующие характеристики. При последующем незначительном увеличении импульса тока (рис. 8) термогенерационный пик напряжения резко возрос, прибор при этом вышел из строя из-за разрушительного шнурования тока.

Импульсы тока и прямого падения напряжения в предельном режиме: Ip = 164,5 кА, VT = 18 В, Vtg = 26 В (I — 25 кА/дел., V — 10 В/дел., t — 0,1 мс/дел.)

Рис. 7. Импульсы тока и прямого падения напряжения в предельном режиме: Ip = 164,5 кА, VT = 18 В, Vtg = 26 В (I — 25 кА/дел., V — 10 В/дел., t — 0,1 мс/дел.)

Импульсы тока и прямого падения напряжения в момент пробоя LTT прямым током: Ip = 170 кА, Vtg>35 В (I — 25 кА/дел., V — 5 В/дел., t — 0,1 мс/дел.)

Рис. 8. Импульсы тока и прямого падения напряжения в момент пробоя LTT прямым током: Ip = 170 кА, Vtg>35 В (I — 25 кА/дел., V — 5 В/дел., t — 0,1 мс/дел.)

На рис. 9 представлена вольтамперная характеристика LTT во включенном состоянии в области больших импульсов тока. Зеленые точки — это результаты измерений, синяя кривая — результат расчета ВАХ. Кроме того, здесь показана расчетная зависимость максимальной температуры кремниевой структуры LTT от коммутируемого тока (красная кривая). Расчеты выполнены в программном комплексе Synopsys Sentaurus TCAD. В целом видно хорошее совпадение измеренной и расчетной прямых ВАХ. Расхождение этих ВАХ при токах выше 160 кА связано с тем, что расчеты не учитывали феномен шнурования тока при быстром разогреве кремния, приводящего к неконтролируемому развитию термо­генерационных процессов.

Вольт-амперная характеристика LTT во включенном состоянии в области больших токов (зеленые точки — эксперимент, синяя кривая — расчет). Красная кривая — расчетная зависимость максимальной температуры кремниевой структуры LTT от тока

Рис. 9. Вольт-амперная характеристика LTT во включенном состоянии в области больших токов (зеленые точки — эксперимент, синяя кривая — расчет). Красная кривая — расчетная зависимость максимальной температуры кремниевой структуры LTT от тока

На вольт-амперной характеристике LTT (рис. 9) можно условно выделить три области. Область 1 распространяется до амплитуды тока 120 кА. В этой области допускается многократно повторяющийся режим нагрузки импульсным током амплитудой до 100–120 кА. Область 2 соответствует предельному режиму нагрузки с амплитудой тока 125–160 кА. В этой области тиристоры после включения остаются работоспособными, но при этом их ресурс снижается, и чем ближе коммутируемый ток к 160 кА, тем меньше их ресурс. Область 3 — запрещенный режим работы прибора.

Для четырехдюймового 4,5-кВ LTT рабочий режим нагрузки в батарее противотока ограничен амплитудой тока до 100 кА. Он существенно меньше предельного импульса тока, что дает предпосылки ожидать от прибора высокой надежности во время эксплуатации. В подтверждение сказанному на рис. 10 представлена расчетная зависимость максимальной температуры разогрева кремниевой структуры фототиристора от времени при коммутации импульса тока в штатном режиме работы 100-кА/12-кВ LTT-ключа. Видно, что максимальная температура кремниевой структуры LTT в этом режиме не превышает +125 °C, что способствует долговременной работе ключа.

Зависимость максимальной температуры кремниевой структуры LTT от времени (красный цвет) при коммутации импульса прямого тока амплитудой 100 кА (синий цвет)

Рис. 10. Зависимость максимальной температуры кремниевой структуры LTT от времени (красный цвет) при коммутации импульса прямого тока амплитудой 100 кА (синий цвет)

Исследование лавинной устойчивости фототиристоров

Выше отмечено, что при работе в 100-кА/12-кВ LTT-ключах фототиристоры имели достаточно большие запасы как по рабочему напряжению и току, так и по температуре кремния. Однако это не давало 100% выхода на испытаниях у заказчика первых образцов LTT-ключей в режиме, изображенном на рис. 2. Для решения этой проблемы в программу рутинных испытаний были включены испытания LTT обратной ударной мощностью, подобно тем, что проводятся на лавинных диодах. К фототиристорам в обратном направлении прикладывались одиночные импульсы напряжения трапециидальной формы длительностью 100 мкс амплитудой около 6500 В, при этом токи на лавинном участке обратной ВАХ достигали 500 А. Осциллограммы импульсов тока и напряжения при испытаниях лавинной устойчивости LTT показаны на рис. 11.

Импульсы тока и напряжения при испытаниях лавинной устойчивости LTT

Рис. 11. Импульсы тока и напряжения при испытаниях лавинной устойчивости LTT

Большинство тиристоров эти испытания успешно выдержали. Они также показали лучшие результаты при испытаниях в разрядных ключах у потребителя, но, тем не менее, пробои продолжались.

Исследование стойкости фототиристоров к импульсным токам с приложением обратного напряжения

Очередным шагом было введение в программу испытаний фототиристоров нагрузки приборов импульсами тока до 100 кА, с последующим приложением обратного напряжения амплитудой до 3500 В. Испытания проводились на описанной выше конденсаторной установке, которая была соответственно перепрограммирована для испытаний фототиристоров в этом режиме.

Измерялись параметры обратного восстановления: ток (Irr), заряд (Qrr) и время (trr) обратного восстановления фототиристоров, а также скорости спада прямого (–di/dt) и обратного (diR/dt) токов. Значения этих параметров для одной из групп тиристоров, используемых в высоковольтных сборках разрядных LTT-ключей, показаны в таблице.

Таблица. Динамические параметры LTT (IP = 100 кA, VR = 3,5 кВ)

№ LTT

Irr, A

trr, мкс

Qrr, мкКл

–di/dt, A/мкс

diR/dt, A/мкс

’62_11′

3475

16,06

31113

350

854

’58_9′

3477

16,14

31389

352

845

’62_14′

3502

16,13

31589

353

857

’61_1′

3539

16,55

32764

808

’63_1′

3553

16,6

33003

351

816

’61_39′

3562

16,36

32529

354

849

С целью улучшения динамического деления напряжения на последовательно соединенных фототиристорах при выключении высоковольтной сборки элементы LTT подвергались специальному выравнивающему облучению электронами. Режим облучения был подобран таким образом, чтобы обеспечить узкий разброс параметров и сохранить высокие импульсные токи. Разброс Irr и Qrr во всех группах LTT не превышал 1,5%. Из таблицы видно, что при нагрузке фототиристора импульсом тока 100 кА с приложением обратного напряжения этап восстановления блокирующей способности характеризуется высокими обратными токами и скоростями коммутации. Испытания показали, что некоторые приборы при испытаниях в конденсаторной установке этот режим не выдерживают.

Было установлено, что пробой происходил при напряжениях, значительно меньших неповторяющегося напряжения VRSM испытуемых приборов (до 1000 В). На рис. 12 показан типичный случай выхода фототиристора из строя после коммутации импульса тока 100 кА на этапе восстановления запирающей способности при спаде обратного тока. Характерный вид участка кремниевой структуры LTT после этого пробоя показан на рис. 13 и может быть связан с разрушением прибора динамической лавиной [7].

Пробой LTT при обратном восстановлении

Рис. 12. Пробой LTT при обратном восстановлении

Характерный вид участка пробоя LTT динамической лавиной

Рис. 13. Характерный вид участка пробоя LTT динамической лавиной

Тиристоры, выдержавшие на конденсаторной установке коммутацию импульсным током 100 кА с последующим обратным восстановлением, затем успешно прошли все виды испытаний у потребителя 100-кА/12-кВ LTT-ключей при тестировании конденсаторной батареи противотока.

 

Обсуждение

Результаты исследований показали высокую устойчивость фототиристоров к импульсным токам без фазы выключения и лавинным перегрузкам обратным напряжением. Хорошие результаты получены при отборе фототиристоров для высоковольтных сборок с последовательным соединением, которые должны работать в импульсных режимах коммутации больших токов с обратным восстановлением. Потери приборов при этом составляли не более 15%.

Изучены причины выхода LTT из строя вследствие динамической лавины. Установлены места пробоя. На рис. 14 представлена «топографическая карта» расположения на катодной поверхности LTT точек пробоя 16 приборов, вышедших из строя в режиме коммутации тока амплитудой 100 кА с приложением обратного напряжения. На рисунке видно, что большинство точек пробоя (~75%) находятся на краях четырехслойной структуры LTT в области фаски и разветвленного управляющего электрода.

Распределение точек пробоя на катодной поверхности 16 штук LTT, вышедших из строя в режиме коммутации тока амплитудой 100 кА с приложением обратного напряжения

Рис. 14. Распределение точек пробоя на катодной поверхности 16 штук LTT, вышедших из строя в режиме коммутации тока амплитудой 100 кА с приложением обратного напряжения

Первопричиной этому с большой вероятностью является локализация коммутируемого тока в открытых участках кремниевой структуры на границе n+-p эмиттерного перехода фототиристора. При протекании импульса прямого тока на этой границе имеет место повышенная плотность тока, которая сохраняется в тех же местах в фазе протекания обратного тока при выключении LTT. В местах с повышенной плотностью тока пробой прибора из-за динамической лавины наиболее вероятен.

Нами изучается возможность полного исключения пробоя фототиристоров из-за динамической лавины путем изменения топологии высоколегированной части анодного перехода LTT, которое должно улучшить однородность распределения плотности тока по площади фототиристора во включенном состоянии и при его выключении.

 

Заключение

Проверенные на конденсаторной установке фототиристоры успешно выдержали на стендах у потребителя все виды испытаний в составе 100-кА/12-кВ LTT-ключей на предельные токи и напряжения при тестировании батареи противотока системы защитного вывода энергии ITER. Проверка работоспособности LTT-ключа была подтверждена положительными результатами испытаний импульсами тока 100 кА с приложением обратного напряжения в объеме 5000 включений. 

Литература
  1. Przybilla J., Keller R., Kellner U., Schulze H.-J., Niedernostheide F.-J., Peppel T. Direct-Light Triggered Solid-State Switches for Pulsed Power Applications. Proc. Pulse Power Conference, 2003.
  2. Hartman W., Römheld M., Donner A. A 100 kJ Pulse Unit for Electromagnetic Forming. Proc. International Conference on High Speed Forming, 2006.
  3. Fridman B., Enikeev R., Kharcheva K., Kovrizhnykh N., Serebrov R. Counter pulse capacitor bank for 70 kA, 10 kV commutation system. Proc. Pulse Power Conference, 2013.
  4. Wettengel S., Lindenmüller L., Bernet S., Kroll F., Brack F.-E., Pawelke J. Novel Thyristor-based Pulsed Current Converter for a Medical Application — a Conceptual Introduction. Proc. PCIM Europe, 2018.
  5. Chibirkin V., Martynenko V., Khapugin A., Konuchov A., Tundykov S., Grishanin A., Enikeev R., Serebrov R. Development and Investigations of Light Triggered Thyristors for Pulse Application. Proc. PCIM Europe, 2011.
  6. Serebrov R., Fridman B., Khapugin A., Martynenko V. Development and Research of Heavy Pulse Current LTT Switches // IEEE Transactions on Plasma Science. 2016. v 44. no. 7.
  7. Lutz J., Schlangenotto H., Scheuermann U., De Doncker R. Semiconductor Power Devices. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory