TYRISTORY. Spínací součástky pro oblast největších napětí a nejvyšších proudů Nejčastěji triodový tyristor

Transkript

1 TYRSTORY Spínací součástky pro oblast největších napětí a nejvyšších proudů Nejčastěji triodový tyristor Závěrný směr (- na A) stav s vysokou impedancí, U R, R parametr U RRM Přímý směr (+ na A) dva stavy stav s vysokou impedancí blokovací U D, D po překročení napětí U DBO nebo přiložení řídicího signálu parametr U DRM stav s nízkou impedancí propustný stav U T, T V-A charakteristika U T f( T ) typový proud TAV

2 Mechanismy průrazu ZÁVĚRNÝ A BLOKOVACÍ STAV TYRSTORU Lavinový průraz přechodu nastává při překročení kritického elektrického pole E BR na závěrně polarizovaném přechodu U BR ε rε 0 E en Stykový průraz, který nastává, jestliže pro určité napětí U pt (U pt < U BR ) dojde k rozšíření oblasti prostorového náboje přechodu J až k přechodu J r BR D en Dw U PT ε ε Při dané tloušťce w N lze dosáhnout maximálního průrazného napětí je-li U PT U BR, tj. pro ε rε 0EBR N D ew κ N ~ γ p U R(BR) U BR w R w N - d Pro dosažení vysokého U R(BR) je cosh wr nutná vhodná úprava geometrie Lp povrchové oblasti (zkosení) 0 N

3 SPÍNÁNÍ TYRSTORU Pro jednoduché modelování procesu přechodu tranzistoru z blokovacího do propustného stavu se používá tzv. dvoutranzistorová analogie α (U D ;J;T) - činitel h B tranzistoru PNP α (U D ;J;T) - činitel h B tranzistoru NPN Pro G 0 C M( E + C0) K sepnutí dojde při M( α α ) A K E E C + C α M( + ) G > 0, dochází k sepnutí při nižších napětích (M ) K sepnutí dochází při proudu G GT C α E C0 } + obvykle při U D(BO) blízkém U RBR A α G + + G GT α α + A C0 ( α α ) Pokud anodový proud přesáhne hodnotu přídržného proudu L, dílčí tranzistory do M C0 - M α + α (

4 Proudové zesilovací koeficienty rostou s teplotou U D(BO) s rostoucí teplotou klesá Pro zajištění tepelné stability jsou vytvořeny mikrosvody na přechodu N P odpor R SH Připojením paralelního odporu se sníží proudový zesilovací činitel z hodnoty α na α eff α eff α + SH J 3

5 KRTCKÁ STRMOST NÁRŮSTU BLOKOVACÍHO NAPĚTÍ Kritická hodnota nárůstu blokovacího napětí (du D /dt) crit je maximální hodnota strmosti nárůstu blokovacího napětí, při které ještě nedojde k sepnutí tyristoru při rozpojeném obvodu řídící elektrody. Se změnou blokovacího napětí je spojen kapacitní proud J q d dt ( C U ) j D C j + U D dc du j D du dt D působí stejně jako kladný řídící signál Ke splnění podmínky sepnutí dojde při při hustotě posuvného proudu w U P J crit ρr F E F r r r ln 4 r r

6 parametry GT, U GT GD, U GD oblast možných zapínacích proudů a napětí () krajní a mezní chrakteristiky () mezní ztrátový výkon (3) zatěžovací charakteristika

7 PROPUSTNÝ STAV TYRSTORU Propustná V-A charakteristika - U T f( T ) K přechodu tyristoru do propustného stavu je nutná alespoň lokálně vysoká injekce nerovnovážných nosičů v oblasti přechodu J Tyristory se při hustotách proudu větších než 0, A/mm chovají jako struktura PN, podobně jako výkonová dioda, JT m w U T K ln + K J K T ~ exp L J 0H Při menších proudech je sepnutá taková část plochy tyristoru, kterou protéká proud o hustotě J M, která je potřebná k udržení dílčích tranzistorových struktur ve stavu saturace

8 DYNAMCKÉ PROCESY PŘ ZAPÍNÁNÍ TYRSTORŮ L R T U 0 U D Při přiložení kladného řídícího signálu G dochází po určité době zpoždění t d k poklesu blokovacího napětí wn wp t d > + td Dp D Q( td ) G ( t)dt QGT 0 Z rovnice kontinuity Pro t > t d napětí klesá, proud v obvodu roste t d τ ln G G n GT di T /dt závisí na indukčnosti obvodu zapínací doba tyristoru tgt td + tf

9 Vytvořená sepnutá oblast je lokální - část katodové oblasti přiléhající ke kontaktu řídicí elektrody V sepnuté oblasti vysoká koncentrace nosičů n, vlivem gradientu nosičů dochází k laterální difúzi a rozšiřování sepnuté oblasti rychlostí v s Aln J + B Plocha sepnuté oblasti se s nárůstem proudu rozšiřuje, při poklesu propustného proudu se naopak zužuje

10 KRTCKÁ STRMOST NÁRŮSTU PROPUSTNÉHO PROUDU V počáteční fázi sepnutí tyristoru se vytvoří lokální prvotně sepnutá oblast, která se rozšiřuje rychlostí v s. Ztrátovou energii vztaženou na jednotku objemu sepnuté oblasti bezprostředně po sepnutí tyristoru lze vyjádřit W V t P t S w 0 0 () S S 0 () t Při překročení určité kritické hodnoty strmosti nárůstu propustného proudu (d T /dt) crit dochází k destrukci tyristorové struktury Je třeba zvětšit velikost prvotně sepnuté plochy S 0. velkým, strmým řídícím signálem dt

11 DYNAMCKÉ PROCESY PŘ VYPÍNÁNÍ TYRSTORU V propustném stavu je relativně vysoká koncentrace nerovnovážných nosičů (elektron-děrová plasma), která odpovídá saturaci dílčích tranzistorových struktur K obnovení blokovacích vlastností tyristoru je nezbytné, aby se na blokovacím přechodu se vytvořila oblast prostorového náboje, tj. musí být přerušena injekce alespoň z jednoho emitoru. Vypnutí pomocí komutace obvodu. Vypnutí poklesem propustného proudu pod hodnotu vratného proudu 3. Vypnutí záporným řídícím signálem

12 VYPÍNÁNÍ TYRSTORU POMOCÍ KOMUTACE OBVODU Krátkodobé připojení zdroje napětí opačné polarity, jehož vlivem dojde ke komutaci směru proudu tyristorem V okamžiku t s se vytvoří na přechodu J oblast prostorového náboje a ve vnitřních vrstvách N a P zbývá náboj Q Q(t s ) T τ Q rr. který musí klesnout pod Q cr t t ts () Q t Q exp τ eff t + τ q s eff Q ln Q Q ln Q τ eff cr cr

13 Komutace je v reálných obvodech realizována obvykle připojením opačně polarizovaného kondenzátoru sepnutím pomocného tyristoru

14 VYPÍNÁNÍ POKLESEM HLAVNÍHO PROUDU V sepnutém stavu dílčí transistorové struktury v saturaci, k udržení tohoto stavu je třeba T > H α J T α + J T < 0 Minimální proudová hustota potřebná k udržení elektron-děrové plasmy je řádově A/cm Procesy rozšiřování a zužování sepnuté plochy Velikost vratného proudu závisí na rychlosti poklesu proudu

15 VYPÍNÁNÍ TYRSTORU ŘÍDÍCÍM SGNÁLEM - TYRSTORY GTO, GCT a GCT Po přiložení záporného řídícího signálu je omezena injekce elektronů z oblasti emitoru N + přiléhající ke kontaktu řídící elektrody a zároveň jsou extrahovány díry z oblasti vrstvy P V dvoutranzistorové analogii + + ( ) A 0 G GQ α α α α A A K A A G G offm T GQ α α + α NPT Maximální dosažitelný záporný řídící proud GM je limitován maximálním dosažitelným napětím U G(BR) přechodu N + P a příčným odporem vrstvy P. TGQM 4G offm R U G G(BR) 4α U G(BR) ( α + α ) R G PT

16 Vypínací proces GTO Blokovací schopnosti se začnou obnovovat v čase t gs. V jednorozměrném přiblížení při konstantním proudu G je třeba odstranit náboj nerovnovážných nosičů nahromaděný ve vrstvě P. Je-li S plocha katodového segmentu, pak náboj ve vrstvě P může být vyjádřen pomocí tloušťky vrstvy w P a střední koncentrace nosičů ve vrstvě n av n av e QP Gtgs ew Q P n av ( w + w ) S e( w + w )S P on N P S A τ H N t gs Q w P A P τ H τ G G P N G H off ( w + w ) ( w + w ) P w P N Vypínací doba t gq je součtem t gs a doby poklesu t gf

17 Základní strukturou tyristoru GTO je struktura s emitorem N+ ve tvaru tenkého proužku, obklopeného kontaktem řídící elektrody Výkonová součástka vzniká paralelním spojením několika set takových elementárních GTO v jedné monokrystalické destičce. Maximální vypínatelný proud TGQM závisí na počtu segmentů N s TGQM N s Velmi důležité je současné zapnutí a vypnutí všech dílčích tyristorových oblastí řídícím impulsem.

18 Pokud doba života nosičů není stejná ve všech segmentech, rozdíl v době přesahu t gs τ H A G w P wp + w N Proud se koncentruje do segmentu, který vypíná poslední 0 Maximum Minimum 00 carrier lifetime ( s) irradiation dose (0 - cm - )

19 Zásadní řešení bylo nalezeno v optimalizaci vypínacího řídicího impulsu. t gs τ H A G w P wp + w N K výraznému zkrácení rozptylu doby přesahu t gs dojde při G > A GCT (Gate Commutated Thyristor) Dosažení extrémně vysokého di G /dt vyžaduje speciálně konstruovaný zdroj řídicích impulsů spojený bezindukčně (prakticky integrovaný) s výkonovým GCT Pro kombinaci GCT se zdrojem řídicích impulsů je používáno označení GCT (ntegrated Gate Commutated Thyristor).