Способ определения скорости распространения включенного состояния силовых тиристоров

 

Сущность изобретения: через испытуемый тиристор пропускают синусоидальные импульсы различной длительности и амплитуды. По результатам измерения динамического сопротивления в момент максимума тока, определяют среднюю и динамическую скорости распространения включенного состояния. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к функциональным измерениям полупроводниковых приборов и может быть использовано при оптимизации электрофизических параметров элементной базы мощных высокочастотных тиристорных генераторов, а также при конструировании и испытаниях новых типов мощных быстродействующих тиристоров.

При подаче на управляющий электрод (УЭ) тиристора импульса управления вблизи УЭ образуется область начального включения (НОВ). НОВ под влиянием диффузионных и дрейфовых процессов с переменной скоростью распространяется по площади структуры тиристора. Эта динамическая скорость распространения включенного состояния (СРВС) тиристора зависит от электрофизических параметров p-n-p-n-структу- ры и его нагрузочного режима.

Время РВС мощных быстродействующих тиристоров может на 1-2 порядка превышать длительность коммутируемого импульса тока. Поэтому процесс РВС в значительной степени определяет динамические свойства силовых быстродействующих тиристоров и ограничивает их нагрузочные режимы.

Известен неразрушающий способ определения средней СРВС, известно также теоретическое описание процессов, происходящих при этом. Через тиристор пропускают прямоугольный импульс тока заданной амплитуды и наблюдают зависимость напряжения на тиристоре от времени. Средняя СРВС определяется как отношение максимального расстояния, на которое может распространяться включенное состояние, к промежутку времени между включением тиристора и установлением стационарного значения падения напряжения на исследуемом тиристоре. Данный способ позволяет измерить среднюю СРВС тиристоров без их разборки. К недостаткам этого способа можно отнести низкую точность определения момента наступления стационарного состояния в тиристоре, а также невозможность измерения динамики изменения СРВС.

Целью изобретения является создание неразрушающего способа измерения средней и динамической СРВС в силовых тиристорах, а также повышение точности измерения средней СРВС.

Поставленная цель достигается тем, что через испытуемый тиристор пропускают синусоидальные импульсы тока различной амплитуды и длительности, определяют каждый раз динамическое сопротивление, из топологии тиристора определяют рабочую площадь активного элемента, длину управляющего электрода, максимальное расстояние от равноудаленной точки на поверхности активного элемента до управляющего электрода (т.е. максимальное расстояние, на которое распространяется включенное состояние); определяют значение установившегося (стационарного) динамического сопротивления.

Динамическую СРВС определяют как отношение произведения установившегося значения динамического сопротивления на рабочую площадь активного элемента тиристора к произведению динамического сопротивления, измеренного при данной длительности импульса тока, длины управляющего электрода и половины длительности импульса тока.

Среднюю СРВС определяют как отношение рабочей площади активного элемента тиристора S_раб к произведению длины управляющего электрода и половины длительности импульса тока, при котором динамическое сопротивление достигает установившегося значения.

Известен способ измерения СРВС с помощью регистрации рекомбинационного излучения, в котором области тиристора проводящие ток, вследствие излучательной рекомбинации, вызванной носителями заряда, дают излучение с длиной волны ≈1,1 мкм, которое и регистрируется. Излучение регистрируется или из окон в металлическом контакте, или вдоль поперечного разреза образца, т.е. данный способ измерения СРВС является разрушающим. Кроме этого, систематическая ошибка в измерении СРВС обусловлена порогом чувствительности и инерционностью системы регистрации рекомбинационного излучения, инерционностью рекомбинационного излучения, размытием границ светящейся области.

Известен зондовый способ измерения СРВС с помощью измерения потенциалов подвижным контактным вольфрамовым зондом с диаметром 3 мкм с поверхности поперечного разреза n-p-n-p-структуры. СРВС определяется отношением расстояния от управляющего электрода тиристора до зонда к разности между моментом подачи импульса управления и моментом падения потенциала на зонде. Данный способ обладает более высоким пространственным и временным разрешением, чем вышеупомянутый, но является разрушающим.

В предлагаемом способе измерения СРВС в отличие от аналогов в качестве параметра для определения СРВС используются не эффекты, связанные с распростра- нением фронта включения тиристора, и не прямое падение напpяжения, а косвенный параметр - динамическое сопротивление. Точность измерения динамического сопротивления выше, чем при измерении момента времени, при котором прямое падение напряжения на тиристоре достигает установившегося значения (прототип).

Таким образом, у предлагаемого способа появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных технических решений: способ является неразрушающим, через испытуемый тиристор пропускают синусоидальные импульсы тока различной длительности, для измерения СРВС в качестве параметра используется динамическое сопротивление, измеряется средняя и динамическая СРВС, повышается точность измерения СРВС.

Появление новых свойств свидетельствует о существенности отличий предлагаемого способа.

На фиг. 1 а представлена типичная зависимость динамического сопротивления от длительности импульса тока для быстродействующих тиристоров типа ТБ253-800, на фиг. 1 б - зависимость СРВС от длительности импульсов тока, проходящих через тиристор; на фиг.2 - структурная схема испытательной установки для измерения СРВС.

Через последовательно соединенные предвключенный 1 и испытуемый 2 тиристоры от генератора 3 пропускают синусоидальные импульсы тока переменной амплитуды и длительности (λ). Испытуемый тиристор 2 включается от блока управления 4 на 2-3 мкс раньше, чем тиристор 1, тем самым исключается влияние анодного напряжения на СРВС. В момент времени, когда скорость изменения тока через испытуемый тиристор равна нулю (т.е. λ/2), импульсный вольтметр 5 фиксирует падение напряжения на тиристоре 2, а импульсный амперметр 6 амплитуду тока через тиристор 2.

Динамическое сопротивление R_д определяется включенной площадью S_вклтиристора. В первом приближении из закон Ома R_д= ρ (1) где ρ - среднее удельное сопротивление включенного тиристора; h - толщина структуры тиристора.

Считая произведение ρh постоянным, из (1) можно определить его в начале и конце процесса распространения.

ρh = R_д· S_нов= R S_раб (2) где S_нов - площадь начальной области включения; W_n - толщина n-базы тиристора; l_уэ - длина управляющего электрода тиристора; R - установившееся значение R_д; S_раб - рабочая площадь активного элемента тиристора.

Ширина включенной части тиристора l_вкл определяется соотношением l_вкл= (3) где S_вкл - включенная площадь тиристора.

Учитывая, что измерение R_д производится при λ/2, из выражений (1)-(3) можно определить СРВС (V_РВС) U_РВС= = = (4) Таким образом, в тиристорах СРВС определяется отношением произведения установившегося динамического сопротив- ления на рабочую площадь активного элемента к произведению длины управляющего электрода, половины длительности импульса тока и переходного динамического сопротивления, определенного при прохождении импульса тока этой длительности.

Примером применения предлагаемого способа может служить измерение СРВС в быстродействующих тиристорах типа ТБ-253-800. Исследовалась партия тиристоров при амплитудах тока до 2,5 кА длительностью от 8 до 1000 мкс. Для этих тиристоров характерны следующие параметры R = =0,35 мОМ; S_раб = 15 см²; l_уэ = 58,4; максимальное расстояние, на которое распространяется включенное состояние, 0,25 см.

Измерение СРВС производится следующим образом. Через испытуемый тиристор пропускают два импульса тока с амплитудой, равной среднему значению тока через данный тиристор I_м = 800 А при 3I_м= 2400 А одной длительности. Прямое падение напряжения на тиристоре в первом приближении
U_ТМ = U₀ + Ldi/dt + R_д˙I_м˙sin ωt. (5)
При измерении U_ТМ в максимуме тока (т.е. при λ/2 - di/dt = 0) исключается влияние индуктивной составляющей. С учетом двух значений амплитуды тока R_д определяется отношение приращения U_тм к приращению тока
R_д= = =
Установившееся значение R_д определяют при двух значениях постоянного тока СРВС, рассчитывают по выражению (4), как среднюю за каждый интервал времени (λ /2). При изменении длительности импульсов тока от минимальных значений до значений, при которых R_д = Rполучают динамику изменения СРВС при распространении включенного состояния в тиристоре. СРВС полученная при R_д = R является средней СРВС.

Результаты измерения СРВС в тиристорах ТВ-253-800 сведены в таблицу.

Средняя СРВС определяется для R_д = =R (последняя строка таблицы).

Поскольку R_д определяется при двух значениях прямого тока через тиристор (I_м, 3I_м), то при измерении U_тм по прототипу и по предлагаемому способу при применении приборов с одинаковой погрешностью точность измерений R_д выше в 3 раза.

Таким образом, цель изобретения - создание неразрушающего способа измерения средней и динамической СРВС в силовых тиристорах, а также повышение точности измерения средней СРВС - достигнута.

Технические преимущества предлагаемого способа измерения СРВС в тиристорах по сравнению с известными техническими решениями: обеспечиваются неразрушающие измерения средней и динамической СРВС; повышается точность измерения средней СРВС.

Экономический эффект от использования предлагаемого способа достигается за счет измерения нового параметра для серийных силовых быстродействующих тиристоров.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВКЛЮЧЕННОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ, включающий пропускание через испытуемый тиристор импульсов тока и определение переходного динамического сопротивления, отличающийся тем, что через испытуемый тиристор пропускают однополярные синусоидальные импульсы тока разной длительности, причем каждому текущему значению длительности соответствует два импульса различной амплитуды, определяют переходное динамическое сопротивление как отношение разности падения напряжения на испытуемом тиристоре при максимуме импульса тока к разности амплитуд импульсов тока, после чего определяют динамическую скорость распространения включенного состояния как отношение произведения установившегося динамического сопротивления на рабочую площадь активного элемента к произведению длины управляющего электрода, половины текущего значения длительности импульса и переходного динамического сопротивления, определенного при прохождении импульса тока этой длительности, определяют среднюю скорость распространения включенного состояния как отношение рабочей площади активного элемента к произведению длины управляющего электрода и половины длительности импульса, при которой достигнуто установившееся значение динамического сопротивления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3