Повышение защиты тиристоров по dV/dt

Тиристорам (SCR) по-прежнему нет равных в мегаваттном диапазоне мощности, да и при меньших мощностях они находят широкое применение. Тиристоры на 2 кА и 1,2 кВ используются в приводах электровозов, в системах управления электропечами в алюминиевом производстве и т.д. Эквивалентной схема тиристора приведена на рисунке 1а.

  Рис. 1

Это устройство находится в выключенном состоянии, пока на затвор GATE1 не поступит положительный импульс тока. В результате между анодом и катодом включается четырехуровневая структура, и необходимость в токе затвора отпадает.

В более реалистичной модели тиристоров в цепях база–эмиттер PNP- и NPN-транзисторов имеются резисторы (см. рис. 1b), позволяющие избежать токов утечки в Q1 и Q2 при включении схемы. Ток затвора определяется следующим образом:

I_G1 ≥ V_BE1/R_B1

Недостатком тиристоров является то, что если время нарастания напряжения на аноде превышает критическое значение, они включаются, невзирая на нулевой ток затвора. Это напряжение появляется на коммутируемых индуктивных нагрузках, когда анодный ток приближается к нулю и становится меньше уровня удержания. При этом в результате протекания запасенного в индуктивности заряда наблюдается резкое возрастание напряжения на аноде. Коммутирующее напряжение возникает также при переключении резистивных нагрузок при совместном использовании, по крайней мере, двух тиристоров, соединенных в виде аналогового мультиплексора, когда один прибор включается при резком увеличении анодного напряжения на другом приборе.

В схеме на рисунке 1b критическое значение крутизны коммутирующего напряжения определяется следующим образом:

S_Vcrit ≈ V_BE0/[(С_CB01 + С_CB01)R_B],                        (1)

где V_BE0 ~ 0,7 В – типовое значение напряжения, при котором включается полупроводниковый транзистор, а C_CB01 и C_CB02 – емкости коллектор–база транзисторов Q1 и Q2.

Поскольку значения этих емкостей уменьшаются с ростом напряжения эмиттер–коллектор, в формуле (1) используются их максимальные значения. Для транзисторов на рисунке 2 C_CB01 + C_CB02 < 20 пФ. При R_B1 = R_B2 = 6,8 кОм значение S_Vcrit ≈ 5 В/мкс достаточно мало, т.к. для монолитных приборов SCR величина S_Vcrit ≈ 100 В/мкс.

Способ сохранить малым ток включения затвора, увеличив при этом критическое значение крутизны напряжения коммутации, иллюстрируется на рисунке 1с. Включив конденсатор С параллельно переходу база–эмиттер обоих транзисторов, теоретически можно повысить эту крутизну до бесконечно большого значения. Величина С определяется как:

C≈ 2∆V(C_CB01 + C_CB02)/V_BE0,      (2)

где ∆V – величина нарастания. Для простоты расчета повышение анодного напряжения считается линейным. На практике критическое значение крутизны рассчитывается из допустимого значения максимального базового тока транзисторов:

S_Vcrit ≈ I_Bmax/(С_CB01 + С_CB02)                  (3)

Если предположить, что I_Bmax= 200 мА, уравнение 3 дает реалистичное значение S_Vcrit ≈ 100 кВ/мкс.

В эксперименте использовался PNP-транзистор 2N4036 с максимальным током базы 500 мА и максимальным током коллектора 1 А. При резком изменении напряжения анода (∆V = 9 В за 30 нс, или 300 В/мкс) дискретный прибор SCR (см. рис. 2) не включался.