1.2.2. Запираемые тиристоры

Для ликвидации эффектов локализации и шнурования анодного тока и уменьшения влияния продольного сопротивления базового р-слоя в запираемых тиристорах (рис. 1.28) используют многоканальную структуру рис. 1.29. Областью применения таких тиристоров являются преобразователи без обратных шунтирующих диодов, например управляемые выпрямители [2,3,5].

Поскольку обратное напряжение тиристора падает на анодном р+-n--переходе, р+-область анода выполняется однородной по всей площади ячейки. Такие приборы не способны блокировать высокие обратные напряжения. Однако этого и не требуется во многих практических схемах применения (например, в автономных инверторах напряжения).

Физические процессы, протекающие в структурах запираемых тиристоров, во многом аналогичны уже рассмотренным для однооперационного прибора. Исключение составляет процесс прерывания анодного тока отрицательным током управления. Для улучшения энергетических показателей схемы и защиты ключа от всплесков напряжения используют встречно-параллельный диод. Однако у них увеличен ток утечки и снижена стойкость к эффекту dv/dt.

Увеличению скорости изменения запирающего тока препятствуют: уменьшение коэффициента запирания всей структуры и высокая паразитная индуктивность управляющего электрода (100...300 нГн). Это не позволяет использовать GTO в схемах последовательного соединения, так как невозможно обеспечить одновременное и быстрое запирание всех тиристоров. С появлением тиристоров с жестким принципом управления, HD-GTO, скорость нарастания тока управляющего электрода увеличивалась на два порядка (до 2000...4000 А/мкс), а паразитная индуктивность была снижена до 4...5 нГн. Разброс по времени выключения не превышал 0.1 мкс, что позволяло использовать HD-GTO в последовательных цепях без подбора параметров. Создали специальные структуры, запираемые тиристоры на токи (до 3...4 кА), в которой все параллельные ячейки имеют одинаковое время выключения. При подаче отрицательного смещения в цепь электрода управления происходит быстрое увеличение запирающего тока. Анодный ток как бы переключается в цепь электрода управления, а рабочая часть структуры из четырехслойной преобразуется в трехслойную, аналогичную р-n-р-транзистору, который быстро запирается в режиме оборванной базы. Эти тиристоры получили название GCT. Структура данного тиристора на ток 4 кА состоит из двух тысяч сегментов, каждый из которых способен запирать ток порядка 2 А. Реализована структура на полупроводниковой пластине диаметром около 90 мм. Поэтому разрабатываются также специальные конструкции GCT с интегрированным формирователем, получившим название IGCT, т.е. интегрированный GCT (рис. 1.31).

При создании высоковольтных (более 4.5 кВ) структур запираемых тиристоров (как GTO, так и GCT) используют некоторую модификацию базовых ячеек.

Рис. 1.28 Рис. 1.29

Рис. 1.30

Рис. 1.31

1.2.3. Индукционные тиристоры

Процесс изготовления индукционных тиристоров технологически довольно сложен. Он, основан на планарно-диффузионной технологии. Значительная мощность, индукционного тиристора, накладывает требования, связанные с повышением плотности размещения элементарных ячеек и приданием им однородных свойств [5].

Рассмотрим структуру тиристора на примере базовой ячейки с поверхностным затвором (рис. 1.32).

Наличие четырех слоев различной проводимости определили применение слова тиристор в обозначении структуры. Особенностью тиристора по сравнению с SCR и GTO, является отсутствие внутренней положительной обратной связи. Нерегенеративный механизм включения имеет преимущества, помехоустойчивость к внешним воздействиям, повышенный диапазон рабочих температур (более 200°С), возможность переключения анодного тока повышенной плотности.

Индукционный тиристор сочетает высокую перегрузочную способность по току с быстрым протеканием процессов переключения. Проводящее состояние рассматриваемой структуры обеспечивается простым снятием отрицательного напряжения управления на затворе.

Небольшой положительный ток управления (порядка 2...ЗА) формируется с целью ускорения фронта включения. Это относится к нормально открытой структуре SITh. Существуют также нормально закрытые структуры тиристоров, не проводящие ток при нулевом смещении на управляющей сетке. Даже кратковременное отключение отрицательного смещения может вызвать катастрофические последствия в силовой схеме. Поэтому усилия разработчиков обращены на устранение данного недостатка.

Рис.1.32