Источник АО «Протон-Электротекс»
Аннотация
В статье обсуждается возможность формирования встроенных элементов самозащиты от перенапряжения высоковольтных полупроводниковых тиристоров за счёт локального протонного облучения области основного управляющего электрода и, на основании успешного опробования, показаны результаты применения данного решения при разработке нового высоковольтного тиристора Т483-1600-60.
Введение
Современный рынок энергетического оборудования требует применения высоконадёжных технических решений и комплектующих, так как отказ силового полупроводникового прибора в условиях эксплуатации может привести к весьма затратному отказу всего преобразовательного оборудования. Применительно к высоковольтным преобразовательным установкам, в состав которых входят силовые полупроводниковые тиристоры (обычно рассчитанные на напряжение класса порядка 6500 В) отказ драйвера управления силовым тиристором может привести к ситуации, выходящей за область безопасной работы стандартного мощного тиристора, когда тиристор необходимо перевести в проводящее состояние при отсутствии внешнего сигнала управления в связи с отказом драйвера.
В связи с этим, важным направлением совершенствования конструкций высоковольтных силовых полупроводниковых тиристоров является введение в полупроводниковую структуру элементом самозащиты от перенапряжения [1-6]. Данное решение позволяет исключить отказ высоковольтного тиристора при возникновении несанкционированного режима работы за счёт придания тиристорному элементу свойства динистора (переключение в проводящее состояние при подаче определённого значения напряжения катод-анод) [6].
Известно, что протонное облучение вводит в структуру полупроводникового прибора рекомбинационные центры, что даёт возможность регулировать динамические параметры тиристоров и обычно используется для изготовления быстродействующих и быстровосстанавливающихся тиристоров и диодов [4]. Так же, протонное облучение (имплантация атомов водорода) индуцирует возникновение связанных с ним донорных центров, аналогичных по свойствам традиционным донорам (фосфор, мышьяк, сурьма). [4,7]. Локальное протонное облучение может таким образом формировать элементы самозащиты от перенапряжения, при этом с высокой точностью регулируя напряжения лавинного пробоя, что особенно актуально для работы тиристоров в последовательных сборках высоковольтных вентилей [5].
Таким образом, тиристор в составе последовательной сборки может безопасно переключаться при отказе драйвера (отсутствии штатных сигналов управления), и соответственно, вентиль сохраняет работоспособность при отказе драйвера одного из тиристоров [5].
Экспериментальные образцы
Данное конструктивно-технологическое решение было опробовано на тиристорах с диаметром полупроводникового элемента 80 мм, рассчитанных на напряжение 2000 В, где под областью основного управляющего электрода была сформирована n’ область при помощи протонного облучения.
В качестве программы исследования было проведено следующее:
- измерение основных электрических параметров и характеристик и сравнение с результатами измерений до формирования элементов самозащиты;
- испытания на безопасное переключение при малых анодных токах (до 35 А);
- испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1250 А;
- электрическое (воздействие ударным током) с целью определения стабильности поведения механизма переключения в условиях эксплуатации;
- повторные испытания на безопасное переключение при анодных токах до 1250 А.
Измерение основных электрических параметров и характеристик до формирования встроенных элементов самозащиты и после, позволило сделать вывод, что введение в структуру тиристора локальной области, отвечающей за переключение в проводящее состояние, не ухудшает основные электрические и тепловые параметры и характеристики испытуемых тиристоров.
Испытания тиристоров с элементами самозащиты на безопасное переключение по аноду заключались в проверке их способности выдерживать воздействие импульсов тока значительной амплитуды при переключении под действием перенапряжений в прямом направлении. Испытания проводились как при разомкнутой, так и при закороченной цепи управления. Испытания проводились в два этапа.
На первом этапе тиристоры подвергались воздействию перенапряжения в прямом направлении от высоковольтного источника тока, который формировал при переключении испытуемого тиристора импульс тока полусинусоидальной формы длительностью 100 мкс по уровню 0,5 от амплитудного значения. Выходное напряжение холостого хода источника – не менее 6 кВ, амплитуда импульса тока устанавливалась равной 35 А. Каждый образец подвергался воздействию 5 импульсов перенапряжения. После испытаний контролировались значения повторяющегося импульсного тока в закрытом состоянии и повторяющегося импульсного обратного тока.
На втором этапе испытаний испытуемые образцы подвергались воздействию перенапряжений в схеме, обеспечивающей формирование после переключения тиристора импульса тока трапецеидальной формы большой амплитуды и высокой скоростью нарастания переднего фронта.
В зажимное устройство стенда устанавливались последовательно включенные испытуемый образец, цепь управления которого была либо закорочена, либо разомкнута, и коммутирующий тиристор типа Т173-2000-34. При испытания использовалась формирующая линия с волновым сопротивлением 1 Ом. До подачи импульса управления коммутирующим тиристором напряжение на каждом из тиристоров примерно равно и составляет половину напряжения на формирующей линии. При включении коммутирующего тиристора все напряжение прикладывается к испытуемому тиристору, и, поскольку его значение превышает напряжение переключения испытуемого тиристора, он переключается. Амплитуда тока задавалась включенными последовательно дополнительными резисторами с сопротивлением 6,7 Ом или 0,75 Ом. Скорость нарастания тока регулировалась включенной последовательно с резистором катушкой индуктивности. Напряжение на формирующей линии перед включением коммутирующего тиристора устанавливалось равным 2300 В. Схема подключения испытуемого тиристора к формирующей линии показана на рисунке 1. Напряжение на коммутирующем тиристоре и на двух последовательно включенных тиристорах, коммутирующем и испытуемом, регистрировалось осциллографом TPS2024 и делителями напряжения типа Tektronix P5100. Осциллограмма напряжения на испытуемом тиристоре с самозащитой получена методом дифференциального измерения. Осциллограммы напряжения на испытуемом образце и тока через него представлены на рис. 2 - 6.
При сопротивлении нагрузки 6,7 Ом амплитуда тока составляла 290 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 равна 75 А/мкс, длительность импульса по уровню 0,5 – 350 мкс. Количество воздействий на каждый образец – 300 импульсов с частотой 1 Гц.
При сопротивлении нагрузки 0, 75 Ом амплитуда тока составляла 1250 А, скорость нарастания переднего фронта по уровню 0,5 равна 90 А/мкс, длительность импульса по уровню 0,5 – 125 мкс. Количество воздействий на каждый образец – 120 импульсов с частотой 1 Гц.
Результат — тиристоры выдержали испытания на безопасное переключение, то есть на токах до 1250 А механизм самозащиты при переключении под воздействием перенапряжения сработал (рисунки 2 - 6). Стойкость тиристоров к воздействию скорости нарастания тока в открытом состоянии при переключении по аноду у исследуемых образцов сопоставима с типичными значениями di/dt стойкости при включении тиристоров по управляющему электроду.
Для проверки возможности отжига эффекта локального облучения (в аварийных режимах работы тиристора) были проведены испытания в режиме высокотемпературного хранения при температуре 125 °С в течение 168 часов и испытания на стойкость к воздействию 20 последовательных импульсов ударного тока амплитудой 40 кА при Т=125 и VD=VR=0. После чего были измерены параметры-критерии годности и было повторено испытание на переключение тиристора со встроенным механизмом самозащиты от воздействия перенапряжения при токе 1250 А. В результате испытаний не наблюдалось изменения значений напряжения переключения тиристоров в прямом направлении и не было обнаружено параметрических и катастрофических отказов.
Разработка нового высоковольтного тиристора со встроенными элементами самозащиты от перенапряжения
На основании полученного опыта работы с данным решение по формированию встроенных элементов самозащиты от перенапряжения было принято решение о разработке мощного высоковольтного тиристора Т483-1600-60, который характеризуется:
- оптимизированной диффузионной структурой и применением технологии низкотемпературного спекания для снижения динамического сопротивления (rT);
- модернизированной топологией диффузионного элемента и применением протонного облучения для получения малых (до 400 мкс) значений времени выключения тиристора;
- Прецизионным регулированием значений заряда обратного восстановления (Qrr) до уровня ±5%;
- Интегрированным элементом самозащиты от перенапряжения, что исключает необходимость применения таких технических решений как установка внешних ограничителей напряжения (BOD) и соответственно устраняет необходимость доработки конструкции силового блока для применения систем защиты. Данное решение позволит снизить сложность силовой сборки и нивелировать связанные с этим риски, при сопоставимом с применением внешних элементов защиты уровне затрат. Дополнительно на выходных испытаниях АО «Протон-Электротекс» планирует проверку работы интегрированной системы защиты в составе тиристора, то есть с точки зрения потребителя будет аттестован не только сам прибор, но и сама система защиты, входящая в структуру прибора, что невозможно сделать при использовании компонентов по отдельности.
Основные параметры и характеристики разрабатываемого тиристора сведены в таблицу 1.
Вывод
Был успешно опробован интегрированный механизм самозащиты от перенапряжения, полученный локальным облучением области управляющего электрода основного тиристора, и была доказана стабильность работы данного механизма в условиях тепловых и электрических воздействий. Полученные результаты предоставили предпосылки для разработки нового высоковольтного тиристора Т483-1600-60 со встроенными элементами самозащиты в случае отказа драйвера управления, что облегчает конструкцию силовых преобразователей и снижает вероятность отказа из-за увеличения количества применяемых элементов системы.
