Тиристорные коммутаторы с ударно-ионизационным механизмом переключения

Механизм формирования задержанной ударно-ионизационной волны в полупроводниках, обнаруженный в 1979 г. в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, лёг в основу мощных полупроводниковых приборов, способных коммутировать импульсы тока в нано- и субнаносекундном диапазонах. В литературе указывается на возможность переключения обычных тиристоров в режиме ударно-ионизационного фронта, однако результаты экспериментальных исследований по данному вопросу отсутствуют. Выполнено исследование тиристорных коммутаторов с ударно-ионизационным механизмом переключения. Экспериментально показана возможность запуска серийных кремниевых тиристоров таблеточной конструкции импульсом перенапряжения с коротким фронтом, обеспечивающим процесс переключения тиристора в режиме ударно-ионизационной волны. При этом установлено, что основным фактором, определяющим характеристики процесса переключения, выступает скорость нарастания напряжения на тиристоре dU/dt. Показано, что температура полупроводниковой структуры, при которой исчезает ударно-ионизационное переключение тиристора в проводящее состояние, зависит от dU/dt. При dU/dt > 4 кВ/нс запуск волны ударной ионизации реализуется при температуре структуры вплоть до 180°С. Установлено, что увеличение скорости нарастания напряжения dU/dt на стадии запуска тиристора ведет к увеличению проводимости тиристора и снижению потерь энергии в нем на стадии протекания тока. Зависимость объясняется в предположении, что переключаемый ток при ударно-ионизационном механизме запуска тиристора проходит только по части площади структуры. Активная площадь структуры, через которую проходит ток, формируется на стадии запуска, а ее величина возрастает с ростом dU/dt. Показано, что тиристорные коммутаторы с диаметром полупроводникового элемента 40 - 56 мм при их запуске в режиме ударно-ионизационной волны способны работать в следующем диапазоне параметров: емкость накопителя 0,2 - 1,2 мФ, напряжение накопителя 2 - 20 кВ, запасенная энергия 4 - 12 кДж, амплитуда разрядного тока 4 - 200 кА, максимальная скорость нарастания тока 20 - 130 кА/мкс, длительность импульса тока 1 - 25 мкс, мощность импульса в нагрузке 5 - 720 МВт, эффективность процесса переключения 0,85 - 0,97.