Мощные высоковольтные тиристоры для импульсных применений, производства «Протон-Электротекс» | Публикации

Разработка полупроводниковых ключей, способных коммутировать короткие импульсы тока амплитудой от десятков до сотен килоампер, актуальна для развития импульсных источников питания мощной электрофизической аппаратуры. Импульсные тиристоры широко применяются в качестве таких ключей [1].

Заказчики предъявляют к мощным импульсным тиристорам ряд специфических технических требований [2-5], которым не может удовлетворить обычный серийный тиристор. К таким требованиям, в частности, относятся:

1. Коммутация импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс. Типичные требования — 2000 −10000 А/мкс.
2. Коммутация коротких импульсов тока высокой амплитуды. Отношение амплитуды тока в коммутируемом импульсе к величине среднего тока тиристора может достигать числа 100 и более.
3. Синхронное включение тиристоров в составе последовательной сборки при коммутации импульсов тока с высокой скоростью нарастания.

При коммутации импульсов со скоростью нарастания тока (di/dt) свыше 1000 А/мкс, возникают существенные затруднения, связанные с неодновременным включением тиристорного элемента по всей площади.

Кардинальным решением этой проблемы является использование тиристоров с ячеистой «многоэмиттерной» топологией, применяемой для Gate Turn-Off thyristors (GTO) и Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT) [6], т.к. вследствие малого поперечного размера каждой эмиттерной ячейки такой тиристор включается практически одновременно по всей площади. Однако, для такого прибора, значительная часть площади (50% и более) используется для размещения области управления (gate) и не участвует в проведении тока, что сильно снижает допустимую амплитуду импульса тока.

Другим решением является применение специального импульсного прибора Реверсивно Включаемого Динистора (РВД) [7]. Включение такого прибора также происходит по всей площади, что позволяет достигать наибольших на сегодняшний день для полупроводниковых ключей амплитуд импульсного тока [8]. Недостатком является весьма сложная аппаратура, необходимая для запуска РВД, по своей стоимости сопоставимая со стоимостью основного ключа.

Таким образом актуален поиск конструктивно-технологических решений, позволяющих увеличить допустимый импульсный ток «традиционного» импульсного тиристора. Ниже рассмотрен комплекс технических решений, позволивший создать импульсный тиристор, способный коммутировать импульсы тока с экстремально высокой амплитудой в важном для практических применений диапазоне длительности 100-1000 мкс.

Особенности конструкции и технологии изготовления

Полупроводниковые слои.

Низколегированная p-база. В полупроводниковом элементе реализована относительно низколегированная p-база (слоевое сопротивление под n-эмиттером 500-1000 Ом/квадрат). При этом диффузионные процессы ее формирования оптимизированы таким образом, чтобы получить максимальное «встроенное тянущее электрическое поле» в пределах этого слоя. Это позволяет минимизировать время пролета p-базы электронами, инжектированными из n-эмиттера и получить минимальные значения времени задержки включения. Следовательно, при каскадном включении (вспомогательный тиристор — основной тиристор), становится минимальным время, когда ток проводит только вспомогательный тиристор, что существенно увеличивает di/dt — стойкость.

Соответственно, имеется возможность кардинально снизить разброс задержек включения тиристоров в последовательной сборке.

На рис. 1 приведена типичная зависимость времени задержки включения для экспериментального тиристора от значения исходного блокирующего напряжения.

Рис. 1. Типичная зависимость времени задержки включения от анодного напряжения. Скорость нарастания тока управления 2А/мкс, скорость нарастания анодного тока 5000 А/мкс.

Видно, что время задержки включения не только мало по своей абсолютной величине, но, вдобавок, монотонно уменьшается при увеличении анодного напряжения, что объясняется уменьшением времени пролета носителей заряда через базовые слои тиристора при увеличении исходного анодного напряжения.

Такая зависимость времмени задержки включения приводит к «конвергенции» разброса времени включения при работе тиристоров в последовательном соединении. Разброс времен включения отдельных тиристоров в последовательной сборке приводит к перераспределению напряжений между тиристорами на начальном этапе включения: на тиристорах с меньшими значениями tdon анодное напряжение уменьшается, а на тиристорах с большими значениями tdon — увеличивается.

При этом, значения tdon при работе в последовательной сборке, в соответствии с зависимостью от напряжения (см. рис. 1) будут уменьшаться или увеличиваться, по сравнению со значением, измеренным на отдельных тиристорах. Таким образом, при работе тиристоров в последовательном соединении происходит некоторое сужение диапазона разброса значений задержек включения по сравнению с таковым, измеренным на отдельных тиристорах, составляющих сборку.

Исследования [9] показали, что, при типичной для импульсных тиристороров «Протон — Электротекс» «негативной» зависимости tdon от анодного напряжения, диапазон разброса значений tdon при работе в последовательном столбе сужается примерно в два раза.

P-эмиттер с контролируемой эффективностью. В полупроводниковом элементе «традиционного» силового тиристора обычно выдерживается отношение толщины n-базы (Wn) и значения амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в этом слое (L) не менее 3 (Wn/L>3). Это соотношение обусловлено необходимостью иметь вполне определенный (на уровне ~0.8 при высоком напряжении) коэффициент усиления по току p-n-p транзистора в составе четырехслойной тиристорной структуры для обеспечения требуемых значений блокирующих напряжений и du/dt — стойкости. При этом, однако, во включенном состоянии, распределение по толщине структуры концентрации избыточных электронно-дырочных пар существенно неоднородно, а, следовательно, неоднородно и распределение напряженности электрического поля (см. рис. 2).

В импульсных тиристорах производства «Протон-Электротекс» для поддержания требуемого значения коэффициента усиления по току p-n-p транзистора применяется p-эмиттер специальной конструкции — так называемый полупрозрачный эмиттер (transparent emitter). Используемые диффузионные технологии его формирования вместе с низкотемпературной технологией формирования анодного омического контакта (синтеринг) позволяют с высокой степенью воспроизводимости регулировать его коэффициент инжекции и добиться его малого разброса по площади силовой полупроводниковой структуры.

Применение p-эмиттера с контролируемой эффективностью позволяет уменьшить соотношение Wn/L до 1 и менее. В результате получаем более равномерное распределение напряженности электрического поля по толщине структуры (см. рис. 2).

Т.к. объемная плотность мощности потерь является произведением напряженности электрического поля на плотность тока, то для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности имеем меньшую локальную плотность мощности потерь (и плотность энергии потерь), чем для структуры традиционного тиристора при идентичном падении напряжения. Для коротких импульсов тока, когда процессы тепловыделения можно считать адиабатическими, это приводит к примерно на 20% меньшему локальному перегреву для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности.

Таким образом энергия, применение этого конструктивно-технологического решения позволяет в сравнении с «традиционным» тиристором, обладающим идентичной ВАХ во включенном состоянии, получить до 20% преимущества по допустимой энергии потерь при коммутации коротких импульсов тока с высокой амплитудой.

Рис. 2. Распределения концентрации избыточных электронно-дырочных пар (а) и напряженности электрического поля (б) по толщине кремниевой тиристорной структуры с эмиттером контролируемой эффективности (1) и структуре «традиционного тиристора» (2). Тиристорные структуры во включенном состоянии, проводят ток плотностью 2000 А/см2, имеют при этом идентичное падение напряжения 5.0 В.

Топология

Управляющий электрод с высокой степенью разветвления, позволяет безопасно коммутировать импульсы тока с высокой скоростью нарастания и осуществлять быстрое включение тиристорной структуры по всей активной площади.

Применяемые топологии и достижимые импульсные характеристики приведены в Табл 1. Для тиристорных элементов каждого диаметра разработаны и применяются по два варианта топологии: с «максимальным» и с «оптимальным» разветвлением. Вариант с максимальным разветвлением предназначен для коммутации импульсов тока с наибольшей скоростью нарастания, однако из-за больших потерь площади на размещение управляющего электрода уступает второму варианту по допустимой амплитуте импульсов тока при длительности этих импульсов более 200…300 мкс. Вариант с «оптимальным» разветвлением оптимизирован для коммутации импульсов тока максимальной амплитуды при длительностях свыше 300 мкс. Эта топология рассчитана таким образом, чтобы при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания 3-8 кА/мкс разброс плотности энергии потерь и температуры перегрева по площади полупроводниковой структуры был незначительным.

В качестве примера на рис. 3 приведены расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4,5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Зависимости приведены для тиристора 28 класса с диаметром элемента 100 мм.

Рис. 3. Расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4.5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Тип тиристора: диаметр элемента 100 мм, UDRM=URRM=2800В.

Из рисунка видно, что плотность тока в процессе распространения включенного состояния не превышает максимума, который соответствует максимальному значению анодного тока.

Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками приведена на рис. 4. Видно, что максимальная разница температуры между горячей и холодной точками не превышает 18°С. Она достигается в момент времени полного включения всей площади полупроводниковой структуры и далее уменьшается с тесением времени. В момент достижения абсолютного максимума температуры (400 мкс) разница температуры снижается примерно до 10°С. При этом следует иметь в виду, что температура абсолютного максимума эквивалентной структуры, включающейся одновременно по всей площади (например РВД) будет лежать между температурами горячей и холодной точек тиристора.

Следовательно локальный перегрев тиристорной структуры относительно РВД в приведенном режиме не превысит 5-7°С.

Рис.4. Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками тиристорной структуры.

«Распределенный» вспомогательный тиристор. Конструкция современного тиристора с большой площадью кремниевого элемента как правило содержит разветвленный управляющий электрод (РУЭ) и вспомогательный (усилительный) тиристор (ВТ), катод которого соединен с РУЭ, а анод — общий с основной тиристорной структурой. Назначение ВТ — сформировать «усиленный» импульс тока управления, подающийся на РУЭ, который имеет значительную длину периметра. Обычно структура ВТ формируется в виде достаточно узкого кольца, шириной около 1 мм, окружающего основной управляющий электрод тиристора. Для функционирования тиристора в обычных режимах этого достаточно, т.к. после включения основного тиристора по периметру РУЭ происходит быстрый «перехват» анодного тока и ВТ либо отключается, либо плотность тока в нем снижается до «безопасных» пределов.

Однако, при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс, как показали исследования, снижение плотности тока, протекающего через ВТ происходит достаточно медленно, а амлитуда тока может достигать значительных величин.

Чтобы «разгрузить» структуру ВТ, т.е уменьшить плотность протекающего через него тока, на импульсных тиристорах «Протон-Электротекс» применяется т.н. распределенный ВТ, представляющий из себя «полноценную тиристорную структуру, площадью около 0,5 кв.см для элементов диаметром 56 мм и около 1-2 кв. см. для элементов диаметром 80-100 мм (рис. 5). Исследования показали, что применение подобной структуры ВТ позволяет снизить локальный перегрев этой структуры до величины, меньшей, чем максимальный перегрев основной структуры.

Рис.5. Кремниевый элемент импульсного тиристора с «распределенным» ВТ и «мелкой» катодной шунтировкой.

«Мелкая» катодная шунтировка. Применена распределенная катодная шунтировка n-эмиттера с размером элементарного шунта около 100 мкм. Типичная величина амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в n-базе составляет около 400 мкм. Таким образом, применив такую шунтировку, удается получить равномерное распределение концентрации избыточных-электронно-дырочных пар без локальных «провалов» под местами расположения катодных шунтов и, следовательно, использовать всю активную площадь тиристорной структуры для проведения тока.

Контакты

Контакт анода полупроводниковой структуры с молибденовым диском-термокомпенсатором осуществляется с помощью технологии низкотемпературного спекания на слой мелкодисперсной серебряной пасты (синтеринг) [10]. Эта технология представляет собой процесс низкотемпературного (около 250С) спекания серебряной пасты практически в монолитное серебро. В применении к импульсным тиристорам дает следующие преимущества.

— Процесс идет при 250С, а традиционно применяемый для соединения с молибденовым диском процесс сплавления (вакуумной пайки на силумин) — при около 700°С. Поэтому после синтеринга получаем в «пакете» кремний-молибден значительно меньшие остаточные деформации и внутренние механические напряжения. В результате — повышение ресурса по циклостойкости [11-12] (а для режимов коммутации токов с требуемой амплитудой это архиважно, т.к. пропускание каждого импульса тока сопровождается очень жестким термоциклом как раз для соединения кремний-молибден, т.к. кремний разогревается более, чем до 200°С, а молибденовый диск за исключением неглубокого слоя, прилегающего к кремнию, остается холодным.

— При традиционном процессе сплавления поверхностные слои кремниевой структуры растворяются силумином. При этом становится невозможным гарантировать идентичность свойств анодного эмиттера на площади структуры (даже в случае, если это традиционный не «полупрозрачный» p-эмиттер). В результате для традиционной технологии имеем повышенный разброс плотности тока по площади структуры. Технология синтеринга этот недостаток исключает [13].

— В традиционном процессе сплавления чрезвычайно сложно добиться равномерного остывания по всей площади структуры (особенно, если эта площадь большая). В результате, процесс кристаллизации силумина в соединительном шве начинается, обычно, с периферии и, затем распростаняется в направлении центра дискообразного пакета кремний-молибден. Это приводит к неравномерности толщины шва по диаметру, см. рис. 6.

Рис. 6. Неравномерность толщины «сплавного» шва по диаметру, возникающая из-за неравномерного остывания при кристаллизации силумина

Наличие такой неоднородности толщины шва мало влияет на свойства анодного контакта, однако может серъезно ухудшить катодный (прижимной) контакт.

В технологии синтеринга высокая равномерность толщины шва гарантирована.

Прижимной катодный контакт. Для обеспечения надежного прижимного катодного контакта применяется катодная прокладка из молибдена со специальным покрытием. Выбор сделан в результате длительных и объемных исследований разных вариантов материалов и покрытий. Применяемая прокладка обеспечивает высокую циклостойкость контакта, малое электрическое и тепловое сопротивление, отсутствие деградации при длительной эксплуатации, в том числе при коммутации большого числа (свыше 100000) импульсов тока высокой амплитуды. Рассмотренные выше конструктивно-технологические решения известны и, по отдельности, применяются для улучшения импульсных свойств тиристоров рядом фирм — производителей. Однако, только совокупность этих технических решений, примененная с учетом современных технологических возможностей, позволила «Протон-Электротекс» организовать серийное производство импульсных тиристоров с уникальным набором характеристик. В качестве примера ниже приведены результаты испытаний экспериментального импульсного ключа на базе последовательной сборки тиристоров 28 класса с диаметром полупроводникового элемента 100 мм [14].

Экспериментальный ключ на импульсных тиристоразх.

Экспериментальные импульсные тиристоры, с повторяющимся импульсным блокирующим напряжением 2800В были изготовлены с применением описанных выше технических решений.

Тиристоры имели кремниевый элемент диаметром 100 мм, который изготавливался на пластинах нейтроннолегированного кремния с удельным сопротивлением 120 Ом*см, толщиной 580 мкм. Топология управляющего электрода показана в табл. 1 (п.5). Эта топология обеспечивает оптимальное время включения тиристора по всей площади при коммутации импульсов, близких по форме к полуволне синусоиды, длительностью 300-1000 мкс. При этом потери площади на размещение области управления минимизированы и составляют всего около 14%, активная площадь тиристорного элемента составляет около 55 см2. Тиристоры имели таблеточную конструкцию корпуса.

Экспериментальный тиристорный ключ состоял из 10 тиристоров в последовательной сборке, рис 7., и вспомогательной сборке из встречнопараллельных диодов.

Рис. 7. Экспериментальный тиристорный ключ.

Испытания проводились в разрядном R-L-C контуре, рис. 8 при начальном напряжении на конденсаторах 24 кВ. Форма импульсов тока и напряжения при разряде показана на рис. 9. При испытаниях ключ устойчиво коммутирует импульсы тока с амплитудой до 250 кА и скоростью нарастания около 4.5 кА/мкс.

Рис. 9. Анодный ток и напряжение на тиристорном ключе.

Таблица 1

Топологии разветвленного управляющего электрода

№	Диам. эл-та, мм	Вид топологии	Допустимая di/dt, А/мкс	Тип. время полного включения, мкс	I2t, А2с
1	56		4000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)	40…60	3,0E6 (UDRM=2800 В) 1,8E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
2	56		6000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)	20. ..30	2,3E6 (UDRM=2800 В) 1,4E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
3	80		6000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	40…60	17,0E6 (UDRM=2800 В) 10,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
4	80		10000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	20…30	10,0E6 (UDRM=2800 В) 6,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
5	100		10000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	40…60	37,0E6 (UDRM=2800 В) 24,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
6	100		15000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	20. ..30	26,0E6 (UDRM=2800 В) 16,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

Литература

[1] M.E.Savage «Final Results From the High-Current, High-Action Closing Switch Test Program at Sandia National Laboratories», IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 28, no. 5, pp. 1451-1455, Oct. 2000.
[2] H. Singh and C. R. Hummer «High action thyristors for pulse power applications», in 12th IEEE Pulse Power Conference, June 1999.
[3] S. Ikeda and T. Araki, » The di/dt capability of thyristors«, Proc. IEEE, no. 8, pp. 1301-1305, 1967.
[4] S.S. Asina, A.M. Surma, «A new design-technology technique for optimization of high power pulse thuristor characteristics», in ELECTRIMACS Conference, Saint-Nazaire, Sept. 1996, pp. 485-490.
[5] W.H. Tobin, «Effect of gate configuration on thyristor plasma properties», in IEE IAS Conference Record, IEE IAS Annual Meeting, 1978.
[6] Linder S., Klaka S. et al., «A New Range of Reverse Conducting Gate-Commutated Thyristors for High Voltage, Medium Power Applications», in EPE’97 Conference, pp. 1.117 — 1.124. 1997.
[7] A. V. Gorbatyuk, I. V. Grekhov, and A. V. Nalivkin, «Theory of quasidiode operation of reversely switched dinistors», Solid-State Electron., vol. 31 , pp. 1483-1491, 1988.
[8] S A. Belyaev, V.G. Bezuglov et al., «New Generation of High — Power Semiconductor Closing Switches for Pulsed Power Applications» in ICPIG Conference, Prague, July 2007.
[9] Chernikov A. A., Goncharenko V. P., Mizintsev A. V., Surma A. M., Titushkin D. A., «Pulse thyristors adapted for synchronous switching-on in series connection during the commutation of current with high rate of rise» in EPE ECCE Conference, Warsaw, September 2017.
[10] H. Schwarzbauer, «Novel Large Area Joining Technique for Improved Power Device Performance», IEEE Transactions on Industrial Applications, 27 (1), 1991, p. 93- 95.
[11] Amro R.; Lutz J. et al. «Power Cycling at High Temperature Swings of Modules with Low Temperature Joining Technique», in ISPSD Conference,Naples, 2006.
[12] C. Göbl, P. Beckedahl, H. Braml, «Low temperature sinter technology Die attachment for automotive power electronic applications» in Automotive Power Electronics Conference, Paris, June 2006, pp. 2-5.
[13] D. Titushkin, A. Surma, «New ways to produce fast power thyristors», Bodo’s Power Systems 08, 2015, p. 28- 29.
[14] Chernikov A. A., Goncharenko V. P., Mizintsev A. V., Surma A. M., Titushkin D. A., «Thyristors for commutation of current impulse with extremely high amplitude» in APEC Conference, Tampa, March 2017.

Черников А.А., Гончаренко В. П., Мизинцев А. В., Сурма А. М., Титушкин Д. А.
АО «Протон — Электротекс», OOO «НИИЭФА ЭНЕРГО»

Мощный тиристор с повышенной помехоустойчивостью

Авторы патента:

Елисеев Вячеслав Васильевич (RU)

Мартыненко Валентин Александрович (RU)

Чумаков Геннадий Дмитриевич (RU)

Шорохова Нина Алексеевна (RU)

Сорокин Вадим Валерьевич (RU)

H01L29/74 — приборы типа тиристоров с четырехзонной регенерацией

 

Область применения: преобразовательное оборудование для управления тяговыми электродвигателями электровозов, прокатных станов и другое электрооборудование, работающее в условиях высокого уровня электрических помех в цепях управления тиристоров. Техническим результатом полезной модели является улучшение технических характеристик тиристоров — повышение их помехоустойчивости по напряжению управления. Технический результат достигается за счет создания в зоне управления кремниевой структуры тиристора барьерного n⁺-слоя кольцевой формы, расположенного между управляющим электродом и металлизированной n

+-эмиттерной областью. Это позволяет повысить помехоустойчивость тиристоров по напряжению управления до 2-х раз без уменьшения активной площади прибора. Данное техническое решение позволяет исключить сбои в работе электрооборудования, повысить надежность работы преобразовательного оборудования, эксплуатируемого в условиях высокого уровня помех в цепи управления тиристоров.

Предлагаемая полезная модель относится к области силовых полупроводниковых приборов и может быть использована в конструкции полупроводниковых ключей тиристорного типа.

В настоящее время значительная часть мощных преобразователей электрической энергии работает в условиях с высоким уровнем электрических помех в цепях управления тиристоров.

К ним следует отнести: тиристорные преобразователи тяговых двигателей электровозов, главных приводов прокатных станов и т.п. Тиристоры, используемые в этих преобразователях, должны отличатся высокой устойчивостью к воздействию электрических помех. Одним из важнейших параметров тиристоров определяющих уровень их помехоустойчивости является неотпирающее напряжение управления U_GD величина которого составляет несколько десятых долей вольта. Несоответствие величины неотпирающего напряжения U_GD уровню помех, наведенных в цепях управления тиристоров, а именно, когда U _GD тиристоров меньше напряжения наводимого помехами в цепи управления, может привести к сбоям в работе преобразователей и к аварийным ситуациям системы в целом. Величина неотпирающего напряжения управления тиристора в основном определяется конструкцией зоны управления тиристорной структуры. В настоящее время в ряде преобразователей электрической энергии требуется, чтобы неотпирающее напряжение управления используемых тиристоров было достаточно большим не менее 0,70,8 В.

Наиболее близким техническим решением является [1], согласно которому в конструкции зоны управления полупроводникового элемента силового тиристора, изготавливаемого на основе монокристаллического кремния n-типа проводимости, используется вариант регенеративного управления с центральным управляющим электродом (Фиг.1). Конструкция зоны управления этого изделия включает:

— основную p-n-p-n⁺ 1 и вспомогательную 2 n⁺-p-n-p структуры, изготовленные одновременно диффузионным способом;

— алюминиевую металлизацию центрального управляющего электрода 3, выполненную в виде круга, контуром 4 которого является окружность с центром, совмещенным с центром полупроводникового элемента;

— n⁺-эмиттерную область вспомогательной n⁺p-n-p структуры 5, покрытую алюминиевой металлизацией 6, выполненную в форме кольца с центром, совмещенным с центром полупроводникового элемента.

Максимальное значение U_GD этой конструкции не превышает 0,5 В. В случае высокого уровня помех в цепи управления тиристоров этого часто бывает недостаточно.

Целью полезной модели является увеличение неотпирающего напряжения управления тиристоров до значения 0,7-1,0 В.

Указанная цель достигается за счет того, что в мощном тиристоре, состоящим из монокристаллической пластины кремния имеющей основную p-n-p-n ⁺ структуру с центральным управляющим электродом и вспомогательной n⁺

-p-n-p структурой с металлизированной n⁺ -эмиттерной областью дополнительно между управляющим электродом и металлизированной n⁺-эмиттерной областью расположен барьерный n⁺-слой кольцевой формы.

На Фиг.2 показана область управления мощного тиристора с повышенной помехоустойчивостью.

Тиристор состоит из основной p-n-p-n⁺ структуры 1, изготовленной диффузионным методом на пластине монокристаллического кремния n-типа проводимости. В центральной части структуры нанесен слой алюминия 2, выполняющий роль управляющего электрода. Вокруг управляющего электрода расположена вспомогательная n⁺-p-n-p структура 3 с n

+ -эмиттерной областью 4, на поверхность которой нанесен слой алюминия 5. Между управляющим электродом и n⁺-эмиттерной областью создан барьерный n⁺-слой 6 кольцевой формы.

Созданный барьерный слой увеличивает электрическое сопротивление в цепи управления тиристора, увеличивая тем самым величину неотпирающего напряжения управления. Величина приращения U_GD зависит от выбора места расположения барьерного слоя, его глубины и ширины.

Данное техническое решение позволяет увеличить неотпирающее напряжение управление в 1,5-2 раза.

Проведенные испытания конструкции тиристоров с использованием предлагаемого технического решения подтвердили факт увеличения неотпирающего напряжения управления тиристоров до заданного расчетного значения 0,7-1,0 В. Это должно положительно отразится на надежности работы преобразовательного оборудования, эксплуатируемого в условиях высокого уровня помех в цепи управления тиристоров.

Источники информации

[1] А.Блихер. Физика тиристоров. Ленинград, Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, стр.111.

Мощный тиристор с повышенной помехоустойчивостью, состоящий из пластины монокристаллического кремния, имеющей основную p-n-p-n

+ структуру с центральным управляющим электродом и вспомогательную n⁺-p-n-p структуру с металлизированной n⁺ -эмиттерной областью, отличающийся тем, что между управляющим электродом и металлизированной n⁺-эмиттерной областью расположен барьерный n⁺-слой кольцевой формы.

 

Похожие патенты:

Силовой оптронный тиристор // 94382

Мощный интегральный тиристор с полевым управлением // 58787

Устройство стабилизатора напряжения системы однополярного шунтирования мощных тиристоров в реверсивном трехфазном электроприводе // 132931

Система шунтирования относится к устройствам преобразовательной техники и может быть применена в реверсивных тиристорных электроприводах постоянного тока с обратной связью по скорости.

Устройство однополярного шунтирования тиристоров в реверсивном трехфазном тиристорном электроприводе предназначено для своевременного шунтирования токов обусловленных ЭДС самоиндукции, устраняя тем самым отрицательные составляющие выпрямленного напряжения катодной группы тиристоров и положительные составляющие анодной группы

Тиристор с самозащитой от пробоя // 114395

Устройство ускоренного контроля теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов таблеточной конструкции // 121374

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к силовым полупроводниковым преобразователям и конкретно к силовыми полупроводниковым приборам (СПП) — тиристорам и диодам таблеточной конструкции

Драйвер тиристора // 107003

Оптронный тиристор // 95901

Тиристорный модуль для силового блока управления работой электрического котла // 43997

Тиристор // 118795

Силовой запираемый тиристор // 92245

Трансформаторно-емкостный генератор импульсов тока // 115988

Автотрансформаторный генератор импульсов тока // 120825

Полупроводниковая многопереходная структура // 106443

Устройство аварийного запуска инвертора с самовозбуждением // 76168

Теплогенератор для нагрева жидкостей // 113341

Мощные тиристоры и диоды для современных приложений высокого напряжения постоянного тока

Обзор

Инновационная технология с меньшими потерями, обеспечивающая более высокую эффективность

Потребность в энергии увеличивается из года в год. Движущими факторами, конечно же, являются рост населения во всем мире и, с другой стороны, неуклонно растущий уровень жизни, что приводит к все большему и большему потреблению энергии на человека.

Естественно, это ведет к увеличению производства энергии. Во многих странах источники производства энергии находятся далеко от центров энергопотребления. Это особенно актуально для производства экологически чистой энергии, такой как гидроэлектростанции, ветряные и солнечные электростанции.

В других проектах расстояние может быть меньше, но установка силового соединения сложна; например, если требуется подводное кабельное соединение. В этих случаях передача постоянного тока высокого напряжения (HVDC) является лучшим решением для соединения источника и потребителя.

Продукты

Основные моменты

Преобразователь тока с линейной коммутацией (LCC/CSC)                                    Преобразователь напряжения с автоматической коммутацией (SCC/VSC)

Тиристор только с возможностью включения БТИЗ

Press Pack IGBT Prime Switch

Наши пресс-пакеты IGBT P2000D45X168 и P3000Z45X168 для высоковольтного постоянного тока и промышленных применений сочетают в себе лучшие в мире технологии микросхем IGBT с самой надежной конструкцией пресс-пакетов для надежной работы приложений.

Тиристоры с электрическим управлением (ETT)

Тиристоры с электрическим управлением (ETT)

разработаны для чрезвычайно высокой производительности и низких потерь. При использовании технологии низкотемпературного спекания (LTS) импульсный ток и характеристики блокировки достигают высокого предела, включая высокую надежность.

Световые тиристоры (LTT)

Тиристоры

Light Triggered (LTT) доступны со встроенными прорывными диодами (BoD), dv/dt- и защитой от прямого восстановления (FRP), что помогает упростить компоновку современных преобразователей HVDC.

Защитные тиристоры

Полный ассортимент защитных тиристоров для модульного многоуровневого преобразователя (MMC) на 3,3 кВ, 4,5 кВ и 6,5 кВ. Все защитные тиристоры протестированы с использованием ведущей технологии Infineon IGBT для обеспечения полного уровня защиты.

Ультрамягкие обратные диоды

Эти новые обратные диоды идеально подходят для современных приложений IGBT, таких как преобразователи напряжения постоянного тока высокого напряжения и приводы среднего напряжения.

Зажимные устройства для дисков

Если достаточно одностороннего охлаждения, наши тиристорные и диодные диски с корпусом до Ø75 мм можно легко установить на радиатор с помощью зажимных приспособлений.

Детали

Напишите нам по электронной почте, если вы хотите получить дополнительную информацию или конкретные спецификации

Документы

Поддержка дизайна

Видео

Партнеры

Обучение

Приложения

Поддержка

Контакт

Десять крупнейших производителей тиристоров в мире

Прогнозируется, что объем мирового рынка тиристоров достигнет 1155,5 млн долларов США к 2026 году с 9 долларов США. 34,6 млн в 2020 г. при среднегодовом темпе роста 3,6% в период 2021–2026 гг. Высокоскоростное переключающее устройство Тиристор используется для управления мощностью переменного тока и переключения переменного/постоянного тока, включая симисторы и тиристоры (кремниевые управляемые выпрямители).

Тиристоры представляют собой полупроводниковые устройства с четырьмя слоями чередующихся материалов P- и N-типа. Он бывает трех категорий: анод (положительный вывод), катод (отрицательный вывод) и затвор (управляющий вывод). Тиристор, полупроводниковый прибор с четырьмя слоями чередующихся материалов P- и N-типа, действует исключительно как бистабильный переключатель, проводящий, когда на затвор подается триггерный ток, и продолжающий проводить до тех пор, пока напряжение на устройстве не станет смещенным в обратном направлении или пока напряжение снимается.

Ниже перечислены десять ведущих производителей тиристоров

STMicroelectronics

STMicroelectronics не известна своими МЭМС и датчиками, поскольку ST имеет обширный портфель и фокусируется на тиристорах. ST насчитывает 46 000 создателей и производителей полупроводниковых технологий, устройств и решений, в которых тиристоры остаются в центре внимания. ST со своей командой и партнером разрабатывает и создает продукты, решения и экосистемы, решающие проблемы устойчивого развития и управления ресурсами.

Чтобы узнать больше о ST, нажмите здесь

Vishay Intertechnology

Vishay Intertechnology известна как лучший поставщик электронных компонентов для таких факторов макроэкономического роста, как связь, мобильность и устойчивость. Хотя известно, что Vishay специализируется на тиристорах и предлагает широкий ассортимент продукции. Благодаря своим исследованиям и разработкам, инженерным разработкам, программам качества и инициативам по продажам Vishay создает постоянный поток инновационных компонентов тиристоров.

Для получения дополнительной информации нажмите здесь

Schneider Electric

Schneider Electric — одна из самых влиятельных компаний в области технологий. Европейская многонациональная компания Schneider Electric предлагает цифровые решения в области энергетики и автоматизации, обеспечивающие эффективность и устойчивость. Schneider Electric решает задачи в домах, зданиях, центрах обработки данных, инфраструктуре и промышленности, сочетая энергетические технологии, автоматизацию в реальном времени, программное обеспечение и услуги. Компания предлагает широкий ассортимент тиристоров, отвечающих повышенным требованиям.

Чтобы узнать больше о Schneider Electric, щелкните здесь

Central Semiconductor

Компания Central Semiconductor не только предлагает передовые полупроводники, но и производит широкий ассортимент тиристоров. Central Semiconductor предлагает отличные услуги по настройке, специальным и другим нишевым продуктам и услугам. Используя свою тиристорную технологию, Central Semiconductor удовлетворяет потребности клиентов в их разнообразных конструктивных требованиях. Central Semiconductor постоянно разрабатывает новые продукты для удовлетворения постоянно меняющихся требований клиентов, а также отраслевых тенденций.

Чтобы узнать больше о Central Semiconductor, нажмите здесь

GeneSiC Semiconductor

Известная компания по технологии карбида кремния GeneSiC Semiconductor является производителем промышленных и оборонных систем. GeneSiC Semiconductor играет важную роль не только в технологии SiC, предлагая тиристоры. Технология GeneSiC помогает экономить энергию в самых разных системах высокой мощности. Его технология тиристоров обеспечивает будущее электронных требований.
Чтобы узнать больше, нажмите здесь

TSMC

Тайваньская компания по производству полупроводников, широко известная как TSMC, является тайваньской многонациональной компанией, хорошо известной своим контрактным производством и проектированием полупроводников. Тайваньский полупроводниковый гигант TSMC также сохраняет лидерство в производстве тиристоров. TSMC стремится предоставить комплексное решение из одних рук. TSMC является первым литейным заводом, предоставившим 5-нанометровые производственные возможности, и заметно продвигается вперед, предлагая тиристоры следующего поколения.

Для получения дополнительной информации нажмите на ссылку:

WeEn Semiconductor

WeEn Semiconductor специализируется на разработке широкого и глубокого портфолио лучших в отрасли биполярных силовых продуктов, включая карбидокремниевые диоды и тиристоры. Тиристоры WeEn Semiconductor занимают лидирующие позиции в отрасли и отвечают меняющимся требованиям рынка. В последнее время WeEn Semiconductor расширила свое внимание на тиристоры и лидирует в своем портфолио.

Чтобы узнать больше, нажмите здесь

Diodes Incorporated

Компания Diodes Incorporated, являющаяся мировым производителем и поставщиком высококачественной стандартной продукции для конкретных приложений, является известным экспертом в области поставок и обслуживания тиристоров. Предлагая огромную ценность для клиентов и становясь инновацией следующего поколения, тиристоры — их новое карманное чудо на рынке. Планируя помочь разработчикам в сложных конструкциях нового века, Diodes Incorporated предлагает лучшие тиристоры.

Для получения дополнительной информации нажмите здесь

Sensata Technologies

Компания Sensata Technologies является одним из первых новаторов в области датчиков и элементов управления для критически важных задач. Помогая теперь не только поддерживать чистоту и связь в мире, Sensata Technologies развивает свой рынок, предлагая тиристоры высокого класса. Их тиристоры разработаны с учетом новых требований рынка и помогают разработчикам в их полном цикле проектирования. Вы найдете их 47 000 уникальных продуктов для самых разных областей применения — от автомобильных тормозных систем до систем управления полетом самолета.

Для получения дополнительной информации нажмите здесь

Shindengen Electric

Среди всех ведущих производителей тиристоров Shindengen Electric Manufacturing занимает лидирующие позиции. В течение долгого времени она привлекала опыт и знания в разработке современных тиристоров. Кроме того, Shindengen Electric известна своими предложениями в области силовых полупроводниковых устройств, систем электроснабжения, автомобильной электроники и соленоидов.