eng
Выпуск #8/2018
Д. Титушкин, А. Сурма, Д. Носов, И. Савин
Высоковольтные тиристоры с элементами самозащиты при работе в аварийных режимах
Высоковольтные тиристоры с элементами самозащиты при работе в аварийных режимах
Просмотры: 1737
Рассматривается метод локального протонного облучение области основного управляющего электрода тиристора. Облучение применяется для формирования в высоковольтных полупроводниковых тиристорах встроенных элементов самозащиты от перенапряжения.
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.179.8.62.66
УДК 621.382 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.179.8.62.66
УДК 621.382 | ВАК 05.27.00
Теги: power semiconductor thyristor safe switching self-protection elements безопасное переключение силовой полупроводниковый тиристор элементы самозащиты
Современный рынок энергетического оборудования требует применения высоконадежных технических решений и комплектующих, так как отказ силового полупроводникового прибора в условиях эксплуатации может привести к отказу всего преобразовательного оборудования, что обернется большими расходами. Применительно к высоковольтным преобразовательным установкам, в состав которых входят силовые полупроводниковые тиристоры (обычно рассчитанные на напряжение порядка 6 500 В), отказ драйвера управления силовым тиристором не менее опасен. Ради сохранения безопасной работы стандартный мощный тиристор из-за отказа драйвера необходимо перевести в проводящее состояние при отсутствии внешнего сигнала управления.[1]
В связи с этим важным направлением совершенствования конструкций высоковольтных силовых полупроводниковых тиристоров является введение в полупроводниковую структуру элемента самозащиты от перенапряжения [1–6]. Данное решение позволяет исключить отказ высоковольтного тиристора в случае несанкционированного режима работы за счет придания тиристорному элементу свойства динистора (переключение в проводящее состояние при подаче определенного значения напряжения катод-анод) [6].
Известно, что протонное облучение (имплантация атомов водорода) вводит в структуру полупроводникового прибора рекомбинационные центры, что дает возможность регулировать динамические параметры тиристоров и обычно используется для изготовления быстродействующих и быстро восстанавливающихся тиристоров и диодов [4]. Протонное облучение также индуцирует возникновение связанных с ним донорных центров, аналогичных по свойствам традиционным донорам (фосфор, мышьяк, сурьма) [4, 7]. Локальное протонное облучение может таким образом формировать элементы самозащиты от перенапряжения, при этом с высокой точностью регулируя напряжения лавинного пробоя, что особенно актуально для применения тиристоров в последовательных сборках высоковольтных вентилей [3, 5].
Таким образом, тиристор в составе последовательной сборки может безопасно переключаться при отказе драйвера (отсутствии штатных сигналов управления), а вентиль сохраняет работоспособность при отказе драйвера одного из приборов [5].
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ САМОЗАЩИТЫ
Предлагаемое конструктивно-технологическое решение (локальное протонное облучение) было опробовано на тиристорах с диаметром полупроводникового элемента 80 мм, рассчитанных на напряжение 2 000 В, где под областью основного управляющего электрода была сформирована n'-область при помощи протонного облучения.
В соответствии с программой исследования были выполнены:
• измерение основных электрических параметров, характеристик и сравнение с результатами измерений до формирования элементов самозащиты;
• испытания на безопасное переключение при малых анодных токах (до 35 А);
• испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1 250 А;
• испытания на воздействие ударным током в целях определения стабильности механизма переключения в условиях эксплуатации;
• повторные испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1 250 А.
Измерения основных электрических параметров и характеристик до формирования встроенных элементов самозащиты и после позволили сделать вывод, что введение в структуру тиристора локальной области, отвечающей за переключение в проводящее состояние, не ухудшает основные электрические и тепловые параметры и характеристики испытуемых приборов.
Испытания тиристоров с элементами самозащиты на безопасное переключение по аноду заключались в проверке их способности выдерживать воздействие импульсов тока значительной амплитуды при переключении под действием перенапряжений в прямом направлении. Процедура выполнялась как при разомкнутой, так и при закороченной цепи управления и состояла из двух этапов.
На первом этапе тиристоры подвергались воздействию перенапряжения в прямом направлении от высоковольтного источника тока, который формировал при переключении испытуемого тиристора импульс тока полусинусоидальной формы длительностью 100 мкс по уровню 0,5 от амплитудного значения. Выходное напряжение холостого хода источника – не менее 6 кВ, амплитуда импульса тока – 35 А. Каждый образец подвергался воздействию пяти импульсов перенапряжения. После испытаний контролировались значения повторяющегося импульсного тока в закрытом состоянии и повторяющегося импульсного обратного тока.
На втором этапе испытуемые образцы подвергались воздействию перенапряжений в схеме, обеспечивающей формирование после переключения тиристора импульса тока трапецеидальной формы большой амплитуды, и высокой скорости нарастания переднего фронта.
В зажимное устройство стенда устанавливались последовательно включенные испытуемый образец, цепь управления которого была закорочена либо разомкнута, и коммутирующий тиристор типа Т173-2000-34. При испытаниях использовалась формирующая линия с волновым сопротивлением 1 Ом. До подачи импульса управления коммутирующим тиристором напряжение на каждом из приборов примерно равно и составляет половину напряжения на формирующей линии. При включении коммутирующего тиристора всё напряжение прикладывается к испытуемому устройству, и, поскольку его значение превышает напряжение переключения испытуемого тиристора, он переключается. Амплитуда тока задавалась включенными последовательно дополнительными резисторами с сопротивлением 6,7 или 0,75 Ом. Скорость нарастания тока регулировалась катушкой индуктивности, включенной последовательно с резистором. Напряжение на формирующей линии перед включением коммутирующего тиристора устанавливалось равным 2 300 В. Схема подключения испытуемого тиристора к формирующей линии показана на рис. 1. Напряжение на коммутирующем приборе и на двух последовательно включенных тиристорах, коммутирующем и испытуемом, регистрировалось осциллографом TPS2024 и делителями напряжения типа Tektronix P5100. Осциллограмма напряжения на испытуемом тиристоре с самозащитой получена методом дифференциального измерения. Осциллограммы напряжения на испытуемом образце и тока через него представлены на рис. 2–6.
При сопротивлении нагрузки 6,7 Ом амплитуда тока составляла 290 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 была равна 75 А / мкс, длительность импульса по уровню 0,5–350 мкс. Количество воздействий на каждый образец – 300 импульсов с частотой 1 Гц.
При сопротивлении нагрузки 0,75 Ом амплитуда тока составляла 1 250 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 равна 90 А / мкс, длительность импульса по уровню 0,5–125 мкс. Количество воздействий на каждый образец – 120 импульсов с частотой 1 Гц.
В результате тиристоры выдержали испытания на безопасное переключение, то есть на токах до 1 250 А механизм самозащиты при переключении под воздействием перенапряжения сработал (см. рис. 2–6). Стойкость тиристоров к воздействию скорости нарастания тока в открытом состоянии при переключении по аноду у исследуемых образцов сопоставима с типичными значениями di / dt стойкости при включении приборов по управляющему электроду.
Для проверки возможности отжига эффекта локального облучения (в аварийных режимах работы тиристора) были проведены испытания в режиме высокотемпературного хранения при температуре 125 °C в течение 168 ч и испытания на стойкость к воздействию 20 последовательных импульсов ударного тока амплитудой 40 кА при Т = 125 °С и VD = VR = 0. Затем измерялись параметры – критерии годности, проводилось повторное испытание на переключение тиристора со встроенным механизмом самозащиты от воздействия перенапряжения при токе 1 250 А. В результате не наблюдалось изменение значений напряжения переключения тиристоров в прямом направлении и не было обнаружено параметрических и катастрофических отказов.
НОВЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТИРИСТОР СО ВСТРОЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ САМОЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
На основании полученных результатов по формированию встроенных элементов самозащиты от перенапряжения было принято решение о разработке мощного высоковольтного тиристора Т483-1600-60, который характеризуется:
• оптимизированной диффузионной структурой и применением технологии низкотемпературного спекания для снижения динамического сопротивления (rT);
• модернизированной топологией диффузионного элемента и применением протонного облучения для получения малых (до 400 мкс) значений времени выключения тиристора;
• прецизионным регулированием значений заряда обратного восстановления (Qrr) до уровня ±5%;
• интегрированным элементом самозащиты от перенапряжения.
Интегрированный элемент самозащиты исключает необходимость применения таких технических решений, как установка внешних ограничителей напряжения (BOD), и, соответственно, устраняет необходимость доработки конструкции силового блока для применения систем защиты. Данное решение позволит снизить сложность силовой сборки и нивелировать связанные с этим риски при сопоставимом с применением внешних элементов защиты уровне затрат. Дополнительно на выходных испытаниях АО «Протон-Электротекс» планирует проверить работу интегрированной системы защиты в составе тиристора, то есть с точки зрения потребителя будет аттестован не только прибор, но и система защиты, входящая в его структуру, что невозможно выполнить при использовании компонентов по отдельности. Основные параметры и характеристики разрабатываемого тиристора представлены в таблице.
* * *
Таким образом, в ходе испытания интегрированного механизма самозащиты от перенапряжения, полученного локальным облучением области управляющего электрода основного тиристора, была доказана его стабильность в условиях тепловых и электрических воздействий. Полученные результаты сформировали предпосылки для разработки нового высоковольтного тиристора Т483-1600-60 со встроенными элементами самозащиты в случае отказа драйвера управления, что облегчит конструкцию силовых преобразователей и снизит вероятность отказа из-за увеличения количества применяемых элементов системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Niedernostheide F.-J., Schulze H.-J., Kellner-Werdehausen U.
Self-protected high power thyristors // Рrос. PCIМ 2001. Power Conversion. Nuernberg. Р. 51–56.
2. Adjustment method for a thyristor‘s reverse breakdown voltage uses negative- and positive-doped bases, a collector and an emitter along with hydrogen-induced donors / Reiner Dr. Barthelmess; Uwe Keller-Werdehausen; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Hans-Joachim Dr. Schulze (Infineon Technologies AG EUPEC GmbH (Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG) // Патент DE10344592B4. Заявлено 25.09.2003. Опубликовано 19.05.2005.
3. Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора / Дерменжи П. Г. (Российская Федерация, от имени которой выступает министерство промышленности и торговли Российской Федерации) // Патент RU2474926C1. Заявлено 21.09.2011. Опубликовано 10.02.2013.
4. Губарев В. Н., Семенов А. Ю., Столбунов В. С., Сурма А. M. Технология протонного облучения и возможности ее применения для улучшения характеристик силовых диодов и тиристоров // Силовая электроника. 2011. № 5. С. 4–7.
5. Дерменжи П. Г., Локтаев Ю. М., Сурма А. М., Черников А. А. Новые высоковольтные мощные тиристоры со встроенными в полупроводниковую структуру элементами защиты в аварийных режимах // Силовая электроника. 2012. № 1. С. 64–66.
6. Loktaev Y. M., Surma A. M., Chernikov A. A. New high-voltage power thyristor with built-in protective elements in the semiconductor structure in case of emergency mode excess-voltage protection // Bodo‘s Power Systems № 11. 2011. Р. 44–48.
7. Козловский В. В., Козлов В. А., Ломасов В. Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34. Вып. 2. С. 129–147.
В связи с этим важным направлением совершенствования конструкций высоковольтных силовых полупроводниковых тиристоров является введение в полупроводниковую структуру элемента самозащиты от перенапряжения [1–6]. Данное решение позволяет исключить отказ высоковольтного тиристора в случае несанкционированного режима работы за счет придания тиристорному элементу свойства динистора (переключение в проводящее состояние при подаче определенного значения напряжения катод-анод) [6].
Известно, что протонное облучение (имплантация атомов водорода) вводит в структуру полупроводникового прибора рекомбинационные центры, что дает возможность регулировать динамические параметры тиристоров и обычно используется для изготовления быстродействующих и быстро восстанавливающихся тиристоров и диодов [4]. Протонное облучение также индуцирует возникновение связанных с ним донорных центров, аналогичных по свойствам традиционным донорам (фосфор, мышьяк, сурьма) [4, 7]. Локальное протонное облучение может таким образом формировать элементы самозащиты от перенапряжения, при этом с высокой точностью регулируя напряжения лавинного пробоя, что особенно актуально для применения тиристоров в последовательных сборках высоковольтных вентилей [3, 5].
Таким образом, тиристор в составе последовательной сборки может безопасно переключаться при отказе драйвера (отсутствии штатных сигналов управления), а вентиль сохраняет работоспособность при отказе драйвера одного из приборов [5].
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ САМОЗАЩИТЫ
Предлагаемое конструктивно-технологическое решение (локальное протонное облучение) было опробовано на тиристорах с диаметром полупроводникового элемента 80 мм, рассчитанных на напряжение 2 000 В, где под областью основного управляющего электрода была сформирована n'-область при помощи протонного облучения.
В соответствии с программой исследования были выполнены:
• измерение основных электрических параметров, характеристик и сравнение с результатами измерений до формирования элементов самозащиты;
• испытания на безопасное переключение при малых анодных токах (до 35 А);
• испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1 250 А;
• испытания на воздействие ударным током в целях определения стабильности механизма переключения в условиях эксплуатации;
• повторные испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1 250 А.
Измерения основных электрических параметров и характеристик до формирования встроенных элементов самозащиты и после позволили сделать вывод, что введение в структуру тиристора локальной области, отвечающей за переключение в проводящее состояние, не ухудшает основные электрические и тепловые параметры и характеристики испытуемых приборов.
Испытания тиристоров с элементами самозащиты на безопасное переключение по аноду заключались в проверке их способности выдерживать воздействие импульсов тока значительной амплитуды при переключении под действием перенапряжений в прямом направлении. Процедура выполнялась как при разомкнутой, так и при закороченной цепи управления и состояла из двух этапов.
На первом этапе тиристоры подвергались воздействию перенапряжения в прямом направлении от высоковольтного источника тока, который формировал при переключении испытуемого тиристора импульс тока полусинусоидальной формы длительностью 100 мкс по уровню 0,5 от амплитудного значения. Выходное напряжение холостого хода источника – не менее 6 кВ, амплитуда импульса тока – 35 А. Каждый образец подвергался воздействию пяти импульсов перенапряжения. После испытаний контролировались значения повторяющегося импульсного тока в закрытом состоянии и повторяющегося импульсного обратного тока.
На втором этапе испытуемые образцы подвергались воздействию перенапряжений в схеме, обеспечивающей формирование после переключения тиристора импульса тока трапецеидальной формы большой амплитуды, и высокой скорости нарастания переднего фронта.
В зажимное устройство стенда устанавливались последовательно включенные испытуемый образец, цепь управления которого была закорочена либо разомкнута, и коммутирующий тиристор типа Т173-2000-34. При испытаниях использовалась формирующая линия с волновым сопротивлением 1 Ом. До подачи импульса управления коммутирующим тиристором напряжение на каждом из приборов примерно равно и составляет половину напряжения на формирующей линии. При включении коммутирующего тиристора всё напряжение прикладывается к испытуемому устройству, и, поскольку его значение превышает напряжение переключения испытуемого тиристора, он переключается. Амплитуда тока задавалась включенными последовательно дополнительными резисторами с сопротивлением 6,7 или 0,75 Ом. Скорость нарастания тока регулировалась катушкой индуктивности, включенной последовательно с резистором. Напряжение на формирующей линии перед включением коммутирующего тиристора устанавливалось равным 2 300 В. Схема подключения испытуемого тиристора к формирующей линии показана на рис. 1. Напряжение на коммутирующем приборе и на двух последовательно включенных тиристорах, коммутирующем и испытуемом, регистрировалось осциллографом TPS2024 и делителями напряжения типа Tektronix P5100. Осциллограмма напряжения на испытуемом тиристоре с самозащитой получена методом дифференциального измерения. Осциллограммы напряжения на испытуемом образце и тока через него представлены на рис. 2–6.
При сопротивлении нагрузки 6,7 Ом амплитуда тока составляла 290 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 была равна 75 А / мкс, длительность импульса по уровню 0,5–350 мкс. Количество воздействий на каждый образец – 300 импульсов с частотой 1 Гц.
При сопротивлении нагрузки 0,75 Ом амплитуда тока составляла 1 250 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 равна 90 А / мкс, длительность импульса по уровню 0,5–125 мкс. Количество воздействий на каждый образец – 120 импульсов с частотой 1 Гц.
В результате тиристоры выдержали испытания на безопасное переключение, то есть на токах до 1 250 А механизм самозащиты при переключении под воздействием перенапряжения сработал (см. рис. 2–6). Стойкость тиристоров к воздействию скорости нарастания тока в открытом состоянии при переключении по аноду у исследуемых образцов сопоставима с типичными значениями di / dt стойкости при включении приборов по управляющему электроду.
Для проверки возможности отжига эффекта локального облучения (в аварийных режимах работы тиристора) были проведены испытания в режиме высокотемпературного хранения при температуре 125 °C в течение 168 ч и испытания на стойкость к воздействию 20 последовательных импульсов ударного тока амплитудой 40 кА при Т = 125 °С и VD = VR = 0. Затем измерялись параметры – критерии годности, проводилось повторное испытание на переключение тиристора со встроенным механизмом самозащиты от воздействия перенапряжения при токе 1 250 А. В результате не наблюдалось изменение значений напряжения переключения тиристоров в прямом направлении и не было обнаружено параметрических и катастрофических отказов.
НОВЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТИРИСТОР СО ВСТРОЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ САМОЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
На основании полученных результатов по формированию встроенных элементов самозащиты от перенапряжения было принято решение о разработке мощного высоковольтного тиристора Т483-1600-60, который характеризуется:
• оптимизированной диффузионной структурой и применением технологии низкотемпературного спекания для снижения динамического сопротивления (rT);
• модернизированной топологией диффузионного элемента и применением протонного облучения для получения малых (до 400 мкс) значений времени выключения тиристора;
• прецизионным регулированием значений заряда обратного восстановления (Qrr) до уровня ±5%;
• интегрированным элементом самозащиты от перенапряжения.
Интегрированный элемент самозащиты исключает необходимость применения таких технических решений, как установка внешних ограничителей напряжения (BOD), и, соответственно, устраняет необходимость доработки конструкции силового блока для применения систем защиты. Данное решение позволит снизить сложность силовой сборки и нивелировать связанные с этим риски при сопоставимом с применением внешних элементов защиты уровне затрат. Дополнительно на выходных испытаниях АО «Протон-Электротекс» планирует проверить работу интегрированной системы защиты в составе тиристора, то есть с точки зрения потребителя будет аттестован не только прибор, но и система защиты, входящая в его структуру, что невозможно выполнить при использовании компонентов по отдельности. Основные параметры и характеристики разрабатываемого тиристора представлены в таблице.
* * *
Таким образом, в ходе испытания интегрированного механизма самозащиты от перенапряжения, полученного локальным облучением области управляющего электрода основного тиристора, была доказана его стабильность в условиях тепловых и электрических воздействий. Полученные результаты сформировали предпосылки для разработки нового высоковольтного тиристора Т483-1600-60 со встроенными элементами самозащиты в случае отказа драйвера управления, что облегчит конструкцию силовых преобразователей и снизит вероятность отказа из-за увеличения количества применяемых элементов системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Niedernostheide F.-J., Schulze H.-J., Kellner-Werdehausen U.
Self-protected high power thyristors // Рrос. PCIМ 2001. Power Conversion. Nuernberg. Р. 51–56.
2. Adjustment method for a thyristor‘s reverse breakdown voltage uses negative- and positive-doped bases, a collector and an emitter along with hydrogen-induced donors / Reiner Dr. Barthelmess; Uwe Keller-Werdehausen; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Hans-Joachim Dr. Schulze (Infineon Technologies AG EUPEC GmbH (Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG) // Патент DE10344592B4. Заявлено 25.09.2003. Опубликовано 19.05.2005.
3. Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора / Дерменжи П. Г. (Российская Федерация, от имени которой выступает министерство промышленности и торговли Российской Федерации) // Патент RU2474926C1. Заявлено 21.09.2011. Опубликовано 10.02.2013.
4. Губарев В. Н., Семенов А. Ю., Столбунов В. С., Сурма А. M. Технология протонного облучения и возможности ее применения для улучшения характеристик силовых диодов и тиристоров // Силовая электроника. 2011. № 5. С. 4–7.
5. Дерменжи П. Г., Локтаев Ю. М., Сурма А. М., Черников А. А. Новые высоковольтные мощные тиристоры со встроенными в полупроводниковую структуру элементами защиты в аварийных режимах // Силовая электроника. 2012. № 1. С. 64–66.
6. Loktaev Y. M., Surma A. M., Chernikov A. A. New high-voltage power thyristor with built-in protective elements in the semiconductor structure in case of emergency mode excess-voltage protection // Bodo‘s Power Systems № 11. 2011. Р. 44–48.
7. Козловский В. В., Козлов В. А., Ломасов В. Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34. Вып. 2. С. 129–147.
Отзывы читателей
