8.11. Влияние температуры на параметры тиристора

Влияние температуры на прямое падение напряжения в открытом состоянии (рисунок 8.49, а) аналогично воздействию температуры на кремниевый выпрямительный диод. Оно определяется температурными зависимостями напряжения на катодном p-n переходе ПЗ и напряжении на промодулированных базах. При малых плотностях тока (j_а ≤ 100 А/см²) доминирует уменьшение прямого падения на p-n переходе (– 2 мВ/К), а на больших плотностях тока доминирующим становится эффект увеличения сопротивления баз за счет рассеяния носителей друг на друге и рекомбинации Оже. Изменение знака ТКН необходимо учитывать при эксплуатации тиристоров, так как оно может привести к шнурованию тока за счет саморазогрева.

Зависимость напряжения включения тиристора от температуры приведена на рисунке 8.49, б. Увеличение напряжения включения до температур 120-140 °С обусловлено ростом напряжения лавинного пробоя центрального перехода U_В2(Т). При шунтировке анодного p-n перехода у тиристоров с обратной проводимостью напряжение включения может возрастать до 180°С. Это обусловлено подавлением коэффициентов передачи тока α₃ и α₁ на малых уровнях инжекции проводимостями шунтов. Ток удержания (выключения) уменьшается с ростом температуры, так как с увеличением температуры возрастают коэффициенты передачи транзисторных секций (рисунок 8.49, в), и условие включения реализуется при меньших значениях анодного тока. Ток спрямления, который определяется величиной тока выключения и коэффициентом передачи тока катодной секции (8.17) также уменьшается с увеличением температуры, но по более сильному закону. Токи прямой и обратной утечек для зашунтированных тиристоров возрастают по экспоненциальному закону аналогично генерационному току в ОПЗ центрального и анодного переходов соответственно. Энергия активации этих токов составляет ~ ΔЕ_g/2 (генерация через глубокие центры).

I_a T₁ < T₂ I_выкл

I_спр I_выкл

1.0

I_спр

U 160°C T Т

a) б) в)

Рисунок 8.49 - ВАХ тиристора в открытом состоянии при двух температурах (а);

зависимость U_вкл(Т) (б); зависимость I_выкл(Т) и I_спр(Т) (в)

t_вкл t_выкл

I_a2 > I_a1

a) Т б) Т

Рисунок 8.50 - Температурные зависимости времени включения (а)

и времени выключения (б)

Время включения тиристора при постоянной амплитуде и длительности управляющего импульса уменьшается с увеличением температуры (рисунок 8.50, а). Такое поведение обусловлено уменьшением критического заряда включения Q_кр(Т) = I_спр(Т)·τ_вкл(Т). Оба компонента I_спр и τ_вкл уменьшаются с ростом температуры, поэтому длительность переходного процесса накопления Q_кр(Т) уменьшается. В противоположность времени включения время выключения возрастает с увеличением температуры (рисунок 8.50, б). Увеличение τ_выкл(Т) обусловлено увеличением времени жизни с ростом температуры и уменьшением тока выключения (8.27).

При больших токах анода (большие коммутационные потери мощности) инерционность тиристора при выключении резко возрастает из-за перегрева структуры в процессе коммутации. Наряду с электронной инерционностью рассасывания избыточного заряда, требуется время на остывание структуры и восстановление блокирующей способности при заданном значении dU/dt.

Максимальное значение скорости нарастания анодного напряжения и минимальное значение динамического напряжения включения уменьшается с увеличением температуры. Такое поведение обусловлено уменьшением критического заряда включения и увеличением тока прямой утечки с ростом температуры. Предельная скорость нарастания анодного тока также уменьшается с ростом температуры, так как уменьшается теплоотдача и усиливается положительная токотемпературная связь, приводящая к шнурованию тока и разрушению прибора.

Во время работы мощного тиристора выделяется тепло, обусловленное рассеянием электрической мощности при различных переходных процессах и условиях установившегося состояния. Эта выделяемая мощность приводит к увеличению температуры кристалла

ΔТ_j = P·R_Th ,

где P – рассеиваемая мощность, R_Th – тепловое сопротивление между кристаллом и охладителем. В этой связи для надежной работы тиристоров необходимо использовать конструкцию прибора, обеспечивающую минимально возможное тепловое сопротивление.