4.3.2. Ключи на тиристорах с регенеративным включением

Переходный процесс включения в тиристорах с регенеративным механизмом (SCR, GTO, GCT и МСТ) практически одинаков для любых структур и состоит из двух главных этапов: стадия регенерации и стадия установления остаточного напряжения (рис. 4.26).

Этап задержки включения для тиристорных ключей большой мощности не превышает 100...200 нc и его величиной в сравнении с другими временными составляющими пренебрегают [2,3].

Этап лавинообразного нарастания анодного тока (регенерация) характеризуется взаимным влиянием транзисторов, составляющих р-n-р-n-структуру (рис. 4.27).

Для данного интервала в базовых областях тиристора устанавливается баланс зарядов:

(4.54)

(4.55)

где Q₁;Q₂— заряд неосновных носителей в n- и р-базе тиристора;

τ_B1, τ_B2 — времена жизни носителей в базах;

τ_С1, τ_С2 — времена пролета носителей через базовые слои;

а б Рис. 4.26

I_G — входной ток управляющего электрода (для МСТ тиристора используется аналог тока управления, пропорциональный входному напряжению на затворе).

Решение уравнения при нулевых начальных зарядах в базовых слоях позволяет выразить ток тиристора на этапе регенерации:

(4.56)

где В_REG — эффективный коэффициент усиления тиристорной структуры;

t_RЕG — постоянная времени регенеративного этапа.

Далее процесс включения протекает в зависимости от режима нагрузки тиристорного ключа, в котором различают режим больших или малых токов. Понятие величины тока связано с уровнем инжекции неосновных носителей в базовых слоях. В низколегированной n-базе тиристора независимо от величины внешней нагрузки практически всегда достигается высокий уровень инжекции.

Рис. 4.27

Если внешнее сопротивление RL велико, то в узкой р-базе с сильной степенью легирования высокий уровень инжекции не реализуется. Этап регенерации заканчивается в момент смены знака напряжения на центральном переходе, при этом остаточное напряжение на ключе равно величине падения напряжения на омическом сопротивлении базовых слоев структуры. Стадия дальнейшего установления остаточного напряжения V_AK(t) определяется процессом модуляции сопротивления базовых слоев накопленным зарядом:

(4.57)

где Vo = Е - R_LI_O— начальное напряжение этапа установления;

I_O = i_A (t_REG) - анодный ток в конце этапа регенерации;

Рис. 4.28

τ_УСТ.Н — постоянная времени этапа установления при низком уровне инжекции в р-базе тиристора;

t_REG — длительность этапа регенерации.

При малых сопротивлениях нагрузки R_L составляющих единицы Ом и менее, в структуре тиристора реализуются режимы повышенных плотностей тока, достигающих величин от 100 А/см² и более.

В таких условиях в узкой р-базе также возникает высокий уровень инжекции, приводящий к резкому уменьшению коэффициентов усиления составляющих транзисторов (рис. 4.28).

На этапе установления, с учетом условия В₁В₂ → 1, для переходной характеристики анодного тока на основе решения балансовых уравнений (4.54) и (4.55) можно записать:

Рис. 4.29

(4.58)

где I_O = i_A(t_REG) — ток в нагрузке в конце регенеративного этапа;

τ_SH — постоянная этапа установления при высоком уровне инжекции, тиристора.

С учетом резистивной нагрузки напряжение установления определяется выражением:

(4.59)

где V_O=E ─ R_LI_O.

Для практической оценки длительности регенеративного этапа и расчета напряжения установления необходимо определить величину тока I₀, а также параметры B_REG τ_REG, τ_S. Экспериментальное исследование характеристик переходного процесса для каждого типа тиристора является достаточно трудоемким процессом, а в справочных данных перечисленные параметры не приводятся. В первом приближении можно воспользоваться интегральной характеристикой потерь энергии при включении (рис. 4.29), которая с учетом рассмотренных этапов может быть представлена в виде:

(4.60)

Таким образом, напряжение на этапе установления изменяется по закону, аналогичному для высокоомной нагрузки, но с другой постоянной времени.

Достаточно быстрые процессы переключения тиристорных структур, особенно в цепях низкоомной нагрузки, требуют учета влияния паразитных индуктивностей схемы. Как показывают аналитические расчеты с учетом эффекта обратной связи между входной и выходной цепью тиристорного ключа (рис. 4.30), переходный процесс включения можно рассчитывать по формулам, аналогичным (4.56) и (4.58), заменяя постоянные времени на эквивалентные величины:

(4.61)

(4.62)

где Ls — паразитная индуктивность в анодной цепи тиристора;

Ск — барьерная емкость центрального перехода.

Напряжение открытого ключа определяется параметрами прямой ВАХ тиристора:

(4.63)

где V₀ — напряжение на прямосмещенных р-n-переходах;

r_DYN— динамическое сопротивление открытого тиристора.

Для однооперационных тиристоров с большой площадью структуры необходимо учитывать эффект распространения области включения. Скорость увеличения данной площади пропорциональна плотности анодного тока:

(4.64)

где к — коэффициент пропорциональности;

S(t) — площадь области включения.

Влияние данного эффекта проявляется в относительно медленном изменении напряжения на открытом ключе при практически постоянном Е токе, равном (рис. 4.31).

На стадии переходного процесса, учитывающей эффект распространения, напряжение открытого ключа представляют как функцию изменяющегося во времени динамического сопротивления:

(4.65)

Рис. 4.30 Рис. 4.31

где S_ST — площадь области включения в статическом режиме.

С учетом (4.64) для остаточного напряжения тиристора можно записать:

(4.66)

Где - параметр, зависящий от структуры тиристора.

Значение параметра N можно определить по измеренной длительности фазы распространения t_PROP, которая составляет несколько десятков микросекунд:

(4.67)