Исследование процессов переключения и коммутации тока силовыми тиристорами при их запуске в режиме ударно-ионизационной волны (Промежуточный за 2017 г.)

Исследовано совместное влияние температуры и скорости нарастания напряжения на структуре кремниевого тиристора на процесс его переключения в проводящее состояние волной ударной ионизации. В экспериментах исследованы тиристоры с диаметром полупроводникового элемента 32 мм; скорость нарастания напряжения на структуре dU/dt изменялась от 0,5 до 10 кВ/нс, температура структуры - от 25 до 200°С. Показано, что основным фактором, определяющим характер и параметры процесса переключения тиристора, выступает величина dU/dt. При dU/dt > 8 кВ/нс запуск волны ударной ионизации при переключении тиристора реализуется при температуре структуры вплоть до 200°С. При dU/dt ≤ 1 кВ/нс эффект переключения исчезает при T ~120°С. Численное моделирование показало, что при низких значениях dU/dt ≤ 1 кВ/нс и электрическом поле с ростом температуры структуры интенсивность процессов ударной ионизации снижается и становится недостаточной для образования плазмы с концентрацией, позволяющей экранировать внешнее электрическое поле. В этом случае волна ударной ионизации не возбуждается, а структура переходит в режим работы классического лавинного ограничителя, плавно снижая напряжение до исходного уровня смещения. При увеличении dU/dt происходит рост электрического поля в структуре, которое компенсирует снижение интенсивности процессов ударной ионизации с ростом температуры. Изготовлен стенд для исследования работы тиристоров с ударно-ионизационным механизмом включения в частотном режиме, и проведены его пусконаладочные работы и эксперименты по исследованию работы тиристоров в частотном режиме. Тиристорный коммутатор из двух последовательно соединенных тиристоров T343-500-20 (диаметр полупроводникового элемента 40 мм) при его ударно-ионизационном запуске коммутировал накопитель емкостью 2 мкФ, заряженный до напряжения 4 кВ, и обеспечивал амплитуду коммутируемого тока 8 кА, скорость нарастания тока 18 кА/мкс, длительность импульса тока на полувысоте 1,4 мкс, частоту следования импульсов 200 Гц в режиме пачки импульсов длительностью несколько секунд. При коммутируемой энергии 16 Дж потери в тиристорном ключе составляют около 1 Дж, что соответствует эффективности процесса переключения около 94%, а время восстановления ключа при указанных разрядных параметрах не превышает 1 мс.