4.3.3. Конструкции специальных типов запираемых тиристоров

На базе запираемого тиристора создано несколько типов приборов, отличающихся специальными свойствами: запираемый тиристор с регенеративным уплотняющим электродом (ЗТРУЭ), запираемый тиристор с обратной проводимостью (ЭТОЙ), запираемый тиристор со скрытым управляющим электродом (ЗТСУЭ) и запираемый тиристор с двумя уровнями (ЗТДУ).

Прибор типа ЗТРУЭ является запираемым тиристором с предварительным усилением управляющего сигнала при включении. Как и в случае тиристора с комбинированным включением (см. § 4.1), регенеративный управляющий электрод необходимо щунти-ровать в процессе выключения специальным диодом. При этом, естественно, возникают те же проблемы, что и в ТКВ, т. е. следует учитывать скорость восстановления диода и паразитный р - п~ -р - дг-эффект в том случае, если щунтирующий диод интегрально встроен в структуру тиристора [Natsuda е. а., 1985]. Тем не менее, если учитывать, что в обычном запираемом тиристоре для включения требуется большой ток управления, применять регенеративное управление очень перспективно.

Комбинация в одном монокристалле встречно-параллельно включенных диода и запираемого тиристора, называемая ЗТОП, рассматривалась в [Huang, Barnes, 1985]. Наличие встречно-параллельного диода в одном кристалле позволяет потребителю упростить конструкцию прибора, уменьшить размеры и снизить паразитную индуктивность соединительных выводов. Главный недостаток ЗТОП заключается в том, что комбинация запираемый тиристор - диод должна быть единственной в своем роде для каждой конкретной области применения. Поэтому применение прибора может быть ограничено по экономическим соображениям.

Как указывалось ранее, один,из недостатков мощных запираемых тиристоров - это потеря активной проводящей площади прибора и высокое термическое сопротивление, обусловленное его разбивкой на отдельные элементы. Один из вариантов преодоления этой проблемы заключается в использовании скрытого управляющего электрода (рис. 4.17).

В ЗТСУЭ управляющий электрод выполнен в виде утопленных сильно легированных р+-элементов. У этих приборов очень большая площадь эмиттера, за счет чего обеспечивается одновременно увеличение активной проводящей площади и термической проводимости. Увеличенная площадь эмиттера обусловлена эффективным уменьшением продольного сопротивления р-базы ввиду наличия р+-элементов. Уменьшенное эффективное сопротивление позволяет увеличить ширину катодного эмиттера и тем самым увеличить полезную площадь прибора.

Очень важно правильно выбрать уровень легирования р -элементов. Он должен быть, с одной стороны, достаточно высок,

Q Катод

крытым

Анод 4.17. Запираемый

тиристор со Рис. 4.18. Запираемый тиристор с дву-управляющим электродом мя уровнями управления

тобы управляющий электрод экстрагировал заряд при выключении прибора без чрезмерного обратного смещения р+-элементов, обусловленного омическим падением напряжения. Заметим, что длину р-элементов следует ограничивать.

С другой стороны, уровень легирования должен быть достаточно низким, чтобы обеспечить беспрепятственное протекание тока по всем элементам тиристора, когда он находится во включенном состоянии. Другими словами, выбирается уровень легирования, не превышающий избыточную концентрацию носителей Б р-базе.

Кроме того, у ЗТСУЭ можно получить большее напряжение пробоя эмиттерного перехода, поскольку уровень легирования р-базы возле перехода J3, как правило, ниже, чем в обычном запираемом тиристоре. Приборы со скрытым управляющим электродом описаны в [Ishibashi е. а., 1983] и [Suzuki е. а., 1982] для максимального напряжения 1200 В и тока 1200 А.

При использовании эпитаксиальной технологии напряжение пробоя эмиттера Vc составляет 60 В, в то время как в обычных запираемых тиристорах оно равняется 16 В. Увеличенное значение напряжения пробоя тиристора является определенным преимуществом при проектировании быстродействующих приборов, где для выключения необходимо предусматривать протекание высоких запирающих токов управляющего электрода при высоких уровнях di/dt от источника напряжения, максимальное напряжение которого ограничивается значением [Но, Sen, 1984].

Запираемый тиристор с двумя уровнями управления, описанный в [Silard, 1984], схематически представлен на рис. 4.18. В этой конструкции катодный эмиттер содержит две характерные области Л и Б. На этапе включения тиристора и в состоянии его Проводимости область А обеспечивает очень быстрое включение и малое падение напряжения в приборе.

На этапе выключения область В позволяет получить пути с

Рис. 4.19. Запираемый тиристор с демпфирующей цепочкой и блоком управления БУ

низким сопротивлением для экстрагирования управляющим электродом заряда и, таким образом, действует в направлении интенсификации управляющего электрода, увеличивая протяженность его параметра. Речь идет о чрезвычайно полезном эффекте расширения размеров конечного участка проводимости на этапе выключения и, следовательно, уменьшении вероятности разрушения прибора. Например, при использовании подобной конструкции возрастание максимального анодного тока, который может быть отключен, достигает 0,8/ о [Silard, 1984].

4.3.4. Взаимодействие запираемого тиристора со схемой

Припроектировании запираемого тиристора особое внимание должно быть обращено на влияние внешней схемы на поведение тиристора. Запираемый тиристор с демпфирующей цепочкой и блоком управления представлен на рис. 4.19.

Во время выключения быстрый спад анодного тока сопровождается ростом анодного напряжения. Если dv/di слишком велико, то не исключена возможность повторного включения тиристора или возникновения в сочетании с остаточным током слишком большой мощности потерь и как следствие разрушения прибора.

В реальных схемах крутизна повторно прикладываемого напряжения ограничивается с помощью демпфирующей цепочки. При уменьшении анодного тока ток нагрузки перераспределяется в защитную (демпфирующую) цепочку и заряжает емкость С Повторное прикладываемое напряжение dv/dt фактически задается соотношением /С и, следовательно, большой ток или низкая емкость могут привести к высоким dv/dt.

На практике из-за наличия защитной цепочки на этапе спада тока запираемого тиристора возникают нежелательные воздействия. Речь идет о влиянии паразитной индуктивности цепочки, обусловленной присутствием проводки и емкости, а также напряжения, возникающего в момент включения диода. В течение периода спада скорость изменения тока может превышать 1000 А/мкс, что приводит к возникновению большого максимального напряжения, обусловленного эффектом Ls{di/dt), значение которого необходимо ограничить (см. рис. 4.11).

Сигнал управления оказывает очень сильное влияние на поведение запираемого тиристора как в режиме включения, так и в