Разработка аппаратно-программного комплекса для определения параметров тиристоров при электрических переходных процессах включения при повышенной скорости нарастания тока в открытом состоянии

Предлагаемый проект посвящен разработке и созданию оборудования для использования в технологическом процессе производства частотно-импульсных тиристоров нового типа. Целью проекта является разработка аппаратно-программного комплекса (АПК) для определения параметров и характеристик электрических переходных процессов включения частотно-импульсных тиристоров в условиях включения с повышенной скоростью нарастания тока в открытом состоянии. Основные задачи, которые планируется решить в рамках проекта: – разработка ТЗ на аппаратно-программный комплекс; – разработка структурной и электрических схем устройств, составляющих АПК; – моделирование переходных процессов включения в быстродействующих частотно-импульсных тиристорах и в электрических цепях формирования испытательных режимов; – разработка эскизной КД на макет АПК; – изготовление макета АПК; – испытания работоспособности макета АПК с применением в испытательном режиме быстродействующих частотно-импульсных тиристоров; – проведение патентных исследований по разрабатываемой тематике; – подготовка научно-технического отчета по НИР. Мощные устройства силовой электроники реализуются на основе силовых тиристоров, которые используются в них в различных групповых соединениях. При этом для повышения помехоустойчивости тиристоров параллельно им подключаются демпфирующие RC-цепи. Эксплуатация таких приборов ведётся на различных частотах от 50 Гц до единиц кГц. Это предопределяет включение тиристоров в режимах с повышенной скоростью нарастания тока в открытом состоянии. Необходимо отметить, что процесс включения силовых тиристоров при воздействии импульса тока управления всегда осуществляется в так называемой области первоначального включения (ОПВ). ОПВ под воздействием импульса тока управления формируется в области регенеративного управляющего электрода, что обуславливает повышенные электрические, а соответственно, тепловые потери в ней при включении с повышенными значениями скорости тока в открытом состоянии, которые характерны для высокочастотных режимов включения и при разряде демпфирующей RC-цепи. Это предопределяет возникновение в ОПВ различного рода деградационных изменений полупроводниковой структуры тиристоров, что повышает вероятность возникновения отказов тиристоров при эксплуатации в устройствах силовой электроники. Необходимо отметить, что по статистике примерно 50% катастрофических отказов силовых тиристоров в устройствах силовой электроники при эксплуатации обусловлены деградационными процессами, возникающими в ОПВ, что вызывает необходимость проведения разработки оптимальной топологии управляющей части тиристоров, а также создания специального АПК, предназначенного для определения качества выпускаемых тиристоров по определённым параметрам электрического режима включения. Разработка оптимальной по размерам топологии регенеративного управляющего электрода и шунтировки катодного эмиттера для минимизации электрических и, соответственно, тепловых потерь, позволяет создать тиристоры, способные эксплуатироваться в режимах с повышенной скоростью нарастания тока в открытом состоянии при включении, которые будут обладать высокой надёжностью при эксплуатации. Определение электрических параметров и характеристик включения тиристоров представляет собой эффективный способ контроля качества разрабатываемых тиристоров. Такие параметры и характеристики можно определить как в процессе моделирования с использованием специальных пакетов программ, так и с помощью измерительной аппаратуры. Точное воспроизведение процесса включения при моделировании ограничивается неоднородностью полупроводниковой структуры и трехмерной природой этого процесса. Результаты моделирования, позволяют оптимизировать структуру регенеративного управляющего перехода и оценить оптимальную величину шунтов эмиттерного перехода с целью минимизации электрических и тепловых потерь в управляющей области тиристоров. Физическое определение электрических параметров и характеристик включения даёт действительную картину о динамических свойствах тиристора при включении в режимах с повышенной скоростью нарастания тока в открытом состоянии, которые характерны для различных режимов эксплуатации в устройствах силовой электроники. Измерение времён задержки, нарастания и включения, определение по временным электрическим характеристикам тока и напряжения в открытом состоянии характеристик мощности и энергии потерь в области первоначального включения регенеративного управляющего электрода и далее при распространении включённого состояния позволяет косвенно судить о площади начального включения тиристора, а значит о степени его надёжности в эксплуатации при высоких скоростях нарастания тока в открытом состоянии. АПК предназначен именно для этих целей. Актуальность проекта обусловлена тем, что аппаратура, аналогичная АПК серийно не выпускается в России. Число организаций и предприятий, способных на проведение подобных работ крайне ограничено. С одной стороны, это объясняется схемотехнической сложностью таких комплексов, а с другой, отсутствием опыта разработки подобных АПК и компьютерного моделирования электрических и тепловых процессов в тиристорной структуре. Заказы импортного оборудования подобного класса в силу известных причин сегодня невозможны. Однако необходимость в АПК существует, так как высокочастотные разрабатываемые тиристоры уверенно занимают свою нишу на рынке силовых полупроводниковых приборов, с перспективой её расширения. Научная новизна проекта состоит в том, что впервые поставлена задача разработки АПК, обладающего характеристиками, выгодно отличающими его от аппаратуры аналогичного назначения. К ним можно отнести: комплексное измерение характеристик включения и энергии потерь при включении в режимах с высокими скоростями изменения анодного тока, а также разработка регулируемого по амплитуде генератора анодного тока с улучшенными энергетическими характеристиками, определяемыми минимально возможными затратами энергии на одно измерение параметров. При этом впервые будет проведена разработка оптимальной с точки зрения минимизации потерь в ОПВ топологии сложной конструкции регенеративного управляющего электрода и шунтировки катодного эмиттера тиристора на основе моделирования в программной среде TCAD. Результаты выполнения проекта могут быть использованы как при разработке новых типов высокочастотных импульсных тиристоров для корректировки их конструкций и технологического процесса в нужном направлении, так и для подбора групп тиристоров с требуемыми динамическими параметрами и повышенной надежностью при эксплуатации в режимах с высокой скоростью нарастания тока в открытом состоянии, а также для отбраковки потенциально ненадёжных приборов.