Характеристики переключения мощных фототиристоров с новыми волоконно-оптическими модулями управления

Введение

При коммутации высоких мощностей мегаваттного диапазона наиболее перспективными силовыми ключами являются высоковольтные тиристоры с прямым управлением светом (Light Triggered Thyristors, LTT). Данные полупроводниковые приборы производятся сегодня на токи до 3500 А, напряжение до 8000 В. Они легко управляются инфракрасным светом с оптической мощностью несколько десятков милливатт, имеют прекрасные характеристики включения, низкие потери мощности в проводящем состоянии и при переключении. Узкий разброс таких параметров, как t_d, V_TM, Q_rr позволяет использовать эти приборы в последовательных и параллельных соединениях и успешно реализовывать различные энергетические проекты с общей мощностью до нескольких гигаватт, например HVDC. Кроме того, в импульсной энергетике находят применение LTT PP (LTT Pulse Power), вытесняя газоразрядные лампы и вакуумные разрядники.

В статье приведены результаты исследований характеристик включения мощных LTT и LTT PP с диаметром кремниевых элементов 90 и 101 мм, а также результаты разработки новых оптических драйверов управления на основе лазерных диодов с учетом различных условий применения тиристоров.

Инжекционный лазерный диод

Ранее [1, 2] были представлены результаты расчетов исследований поглощения излучения в кремнии и зависимости времени задержки включения LTT от длины волны. Показано, что наилучшее включение тиристора светом происходит при длине световых волн 950–1050 нм. С учетом этого в качестве излучателя света для LTT были разработаны лазерные диоды (ЛД) и оптические драйверы на их основе.

Кристаллы ЛД изготавливались на основе MQW полупроводниковой гетероструктуры типа Al_0,3Ga_0,7As/GaAs, выращенной методом MOCVD газофазной эпитаксии. Ширина излучающей области кристалла ЛД составляет 50 мкм.

Излучатель света (рис. 1) разработан в компактном металлостеклянном корпусе, внутри которого размещены кристаллы ЛД и кремниевого фотодиода обратной связи (Si-PIN) для мониторинга выходной оптической мощности излучения.

Рис. 1. Лазерный диод (внешний вид):
1 — корпус,
2 — выходной ММ оптический световод в защитной оболочке,
3 — оптический разъем типа ST

Выход излучения из корпуса организован через многомодовый кварцевый оптический световод с диаметром сердцевины 200 мкм, оболочки — 220 мкм. На другом конце световод имеет оптический разъем типа ST для подключения оптического кабеля управления. Спектры излучения ЛД, измеренные в импульсном режиме (f = 6000 Гц, t_p = 10 мкм) при температурах –45, +20, +70 °С с помощью спектрометра MOPC-G, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Спектр излучения лазерного диода при +70 °C и зависимость максимума спектра излучения от температуры

Типичная ватт-амперная характеристика ЛД, измеренная при температурах +20, +40 и +70 °С в импульсном режиме, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Типичная ватт-амперная характеристика лазерного диода при температурах +20, +40, +70 °С

Измеренная характеристика фототока встроенного Si-PIN-диода от тока накачки ЛД представлена на рис. 4. Как видно на рис. 4, на рабочем участке передаточной характеристики Si-PIN-диода имеется равномерный участок, близкий к линейной зависимости, который позволяет осуществлять мониторинг и стабилизацию выходной мощности излучения ЛД при изменении температуры окружающей среды.

Рис. 4. Зависимость фототока встроенного Si-PIN-диода от тока накачки лазерного диода при температурах +20, +40, +70 °C

Оптические драйверы управления

На основе этих ЛД разработаны три типа оптических драйверов управления для импульсного применения, а также для работы в схемах мощного выпрямителя, инвертора и ключа переменного тока. Основные характеристики драйверов управления представлены в таблице.

Рекомендуемое применение драйверов: тип 1 — для импульсных коммутаторов тока, тип 2 — для выпрямителей и инверторов, тип 3 — для управления переменным током. Следует отметить, что драйвер типа 3 является универсальным, так как может быть использован, кроме управления переменным током, также в импульсных схемах и в схемах преобразования электрической энергии AC/DC и DC/AC.

На рис. 5 показана функциональная электрическая схема оптического драйвера типа 2.

Рис. 5. Функциональная электрическая схема оптического драйвера типа 2

Импульсы входного сигнала необходимой длительности (10–400 мкс) с уровнями КМОП-логики подаются на вход драйвера управления MOSFET. Драйвер предназначен для преобразования уровня КМОП в уровень, необходимый для управления затвором транзистора. Когда транзистор включается, через ЛД протекает ток, ограниченный резистором R1. Лазерное излучение вводится в оптоволокно, часть его попадает в фотоприемник обратной связи и используется для диагностики. Компараторы диагностики распознают минимальный и максимальный уровни мощности излучения. Резистором R2 производится масштабирование, а выходные триггеры запоминают состояние уровня мощности прошедшего импульса. Таким образом, получаются два сигнала, и по состояниям лог. «0» или лог. «1» можно судить о величине мощности излучения: PL>P_min, PL>P_max. В процессе длительной работы ЛД со временем из-за старения может происходить уменьшение выходной мощности излучения. Введение такой диагностики позволяет системе управления обнаружить старение ЛД и дать команду на включение дублирующего драйвера, не прерывая работу силового преобразователя.

Экспериментальные результаты

С помощью этих драйверов исследовались характеристики включения мощных высоковольтных LTT РР c блокирующим напряжением 5000 В, предназначенных для импульсных применений, и LTT c блокирующим напряжением 8000 В для низкочастотных (50/60 Гц) применений в различных режимах измерений.

На рис. 6 представлена зависимость времени задержки включения LTT PP (5000 В) от длины волны оптического излучения ЛД λ при P_LM = 200 мВт и блокирующем напряжении в прямом направлении V_D = 100 В.

Рис. 6. Зависимость времени задержки включения LTT PP от длины волны лазерного диода при PLM = 200 мВт, VD = 100 В.
Сплошная кривая — расчет, точки — результаты измерений

На рис. 7 представлена зависимость времени задержки включения тиристоров (5000 В) от блокирующего напряжения в прямом направлении при P_LM = 200 мВт, λ = 880 нм и λ = 980 нм. На рисунке видно, что более близкая к оптимальному значению длина волны оптического излучения (980 нм) дает более низкие значения времен задержки включения во всем диапазоне напряжений. Кроме того, при λ = 980 нм время задержки слабо зависит от анодного напряжения (t_gd ≈ 0,5 мкс при V_D = 4000 В и t_gd ≈ 1,0 мкс при V_D = 100 В). В случае, когда λ = 880 нм, время задержки резко возрастает с уменьшением анодного напряжения (t_gd ≈ 0,8 мкс при V_D = 4000 В и t_gd ≈ 2,7 мкс при V_D = 100 В). Исследования показали также, что мощность потерь при включении LTT PP уменьшается с увеличением λ с 880 до 980 нм.

Рис. 7. Зависимость времени задержки включения LTT РР от анодного напряжения и длины волны лазерного диода при значениях PLM 100 и 200 мВт

На рис. 8 и 9 показаны зависимости времен задержки включения тиристоров c блокирующими напряжениями 5000 и 8000 В от величины световой мощности новых оптических драйверов управления, работающих в спектре излучения 980 нм. Видно, что LTT PP (5000 В) быстрее включаются, чем LTT (8000 В) при всех указанных значениях P_LM и V_D, что связано с большей толщиной n-базы LTT по сравнению с LTT PP.

Рис. 8. Зависимость времени задержки включения LTT РР (5000 В) от мощности оптического излучения и анодного напряжения при l = 980 нм

Рис. 9. Зависимость времени задержки включения LTT (8000 В) от мощности оптического излучения и анодного напряжения при l = 980 нм

Заключение

Получены расчетные и экспериментальные зависимости времени задержки включения высоковольтных LTT от длины волны и мощности оптического излучения, а также от величины прямого блокирующего напряжения, которые могут быть полезны при выборе режимов работы фототиристоров.

Рис. 10. Силовой высоковольтный блок c шестью последовательно включенными LTT PP (5000 В) для импульсных применений на ток до 120 кА с шестиканальной платой управления на основе оптического драйвера типа 1

Представленные в данной статье образцы оптических драйверов управления успешно прошли испытания и находят сегодня применение в качестве важнейших элементов систем управления современных LTT и LTT PP в различных режимах работы. На рис. 10 представлен один из примеров применения новых тиристоров, управляемых светом, и оптических драйверов управления в высоковольтном блоке для коммутации импульсов тока до 120 кA (t_p = 0,7 мс) в комплекте с шестиканальной платой управления, изготовленной на основе оптического драйвера типа 1. Работоспособность этой системы проверена на 5000 включений.