ОПТРОННЫЙ ТИРИСТОР

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам и может быть использована в силовых ключах для управляемых выпрямителей и других преобразователей электрической энергии, электронных реле, а также для регуляторов режима различных электротехнических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы оптронного тиристора.
Известен оптронный тиристор, содержащий фототиристорную структуру и светодиод, связанный с фототиристорной структурой по оптическому каналу (Das Verzeichnis EUPEC "Ein Unternehmen von AEG und Siemens", BYR 34-800, Fusgabe/Edition, Juni/Juli 1990, S.64-65)
Недостатком оптронного тиристора является низкая надежность работы в энергоемких устройствах при высоких уровнях токов и напряжений и повышенном уровне электромагнитных помех, что обусловлено недостаточной помехоустойчивостью канала управления, возможным многократным увеличением токов утечки через фототиристорную структуру при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на фототиристорной структуре, приводящим к ее перегреву или потере управляемости, малым допустимым уровнем обратного напряжения на светодиоде, невозможностью подачи поддерживающего отрицательного сигнала управления.
Известен оптронный тиристор, содержащий фототиристорную структуру и светодиод, связанный с фототиристорной структурой по оптическому каналу (Краткий каталог ОАО ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ "Полупроводниковые приборы силовой электроники". Издательство ОАО "ИПК "Ульяновский дом печати", октябрь 2007, С.3-18)
Недостатком оптронного тиристора является низкая надежность работы в энергоемких устройствах при высоких уровнях токов и напряжений и повышенном уровне электромагнитных помех, что обусловлено недостаточной помехоустойчивостью канала управления, возможным многократным увеличением токов утечки через фототиристорную структуру при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на фототиристорной структуре, приводящим к ее перегреву или потере управляемости, малым допустимым уровнем обратного напряжения на светодиоде, невозможностью подачи поддерживающего отрицательного сигнала управления.
Известен оптронный тиристор, содержащий фототиристорную структуру и светодиод, связанный с фототиристорной структурой по оптическому каналу (Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - С.546-550).
Указанный оптронный тиристор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком известного оптронного тиристора является низкая надежность работы в энергоемких устройствах при высоких уровнях токов и напряжений и повышенном уровне электромагнитных помех, что обусловлено недостаточной помехоустойчивостью канала управления, возможным многократным увеличением токов утечки через фототиристорную структуру при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на фототиристорной структуре, приводящим к ее перегреву или потере управляемости, малым допустимым уровнем обратного напряжения на светодиоде, невозможностью подачи поддерживающего отрицательного сигнала управления.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы оптронного тиристора в энергоемких устройствах при высоких уровнях токов и напряжений и повышенном уровне электромагнитных помех, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в оптронном тиристоре, содержащем фототиристорную структуру и светодиод, связанный с фототиристорной структурой по оптическому каналу:
1. светодиод зашунтирован встречно дополнительной диодной структурой;
2. дополнительная диодная структура соединена последовательно со светодиодом, а светодиод зашунтирован резистором.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы оптронного тиристора в энергоемких устройствах при высоких уровнях токов и напряжений и повышенном уровне электромагнитных помех, что достигается обеспечением достаточной помехоустойчивости канала управления, снижением вероятности сбоев в управлении оптронным тиристором и исключением возможного многократного увеличения токов утечки через фототиристорную структуру, имеющим место при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на фототиристорной структуре, приводящим к ее перегреву или потере управляемости, увеличением допустимого уровня обратного напряжения на светодиоде, возможностью подачи поддерживающего отрицательного сигнала управления.
Повышение надежности работы оптронного тиристора является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в полупроводниковом устройстве, порядком их включения, реализуемыми способами управления и новыми связями, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого оптронного тиристора являются существенными
На фиг.1, 2 приведены схемы моделей оптронного тиристора по вариантам 1 и 2.
Оптронный тиристор содержит фототиристорную структуру 1 и светодиод 2, связанный с фототиристорной структурой по оптическому каналу, светодиод зашунтирован встречно дополнительной диодной структурой 3 или дополнительная диодная структура соединена последовательно со светодиодом, а светодиод зашунтирован резистором 4.
Оптронный тиристор работает следующим образом. Сигнал управления соответствующей полярности подается на выводы излучающего светодиода 2. Под действием энергии света излучающего светодиода 2 в фототиристорной структуре 1 генерируются носители заряда. Фототиристорная структура 1 имеет, как минимум, четыре чередующихся слоя полупроводника с соответствующими типами проводимости (p, n) и, как минимум, три p-n-перехода. Светодиод 2 и фототиристорная структура 1 связаны только по оптическому каналу и не имеют электрической связи, то есть, гальваноразвязаны. Мощность светового потока излучающего светодиода 2, необходимая для переключения фототиристорной структуры 1, определяется глубиной залегания переходов под ее поверхностью, скоростью рекомбинации носителей и возрастает с увеличением длины волны излучения светодиода 2. Для надежного включения фототиристорной структуры 1 необходим сигнал управления с малой длительностью фронта тока через светодиод 2. Фототиристорная структура 1 включается и проводит ток нагрузки в прямом направлении от анода к катоду. Дополнительная диодная структура 3 (фиг.1) защищает светодиод 2 от приложения к нему обратного напряжения. Допустимое обратное напряжение, которое можно приложить к светодиоду 2, для применяемых типов светодиодов, имеет сравнительно низкий уровень (2÷3 В). Протекание тока через дополнительную диодную структуру 3 при приложении отрицательного напряжения к выводам светодиода 2 повышает порог помехоустойчивости канала управления оптронного тиристора и предотвращает его возможные несанкционированные включения в реальном работающем устройстве. Аналогичную функцию (фиг.2) выполняет резистор 4 (фиг.2). В устройстве, изображенном на фиг 2, дополнительно, обеспечивается повышение надежность работы. Дополнительная диодная структура 3, включенная последовательно со светодиодом 2, поднимает порог отпирания на величину напряжения смещения, что существенно повышает помехоустойчивость канала управления оптронного тиристора. Дополнительная диодная структура 3 также предотвращает возможность приложения обратного напряжения к излучающему светодиоду 2 при наличии поддерживающего отрицательного напряжения управления на управляющих выводах.
Пара: светодиод 2 и дополнительная диодная структура 3 на фиг.1 и цепь: светодиод 2, дополнительная диодная структура 3 и резистор 4 на фиг.2 могут быть выполнены навесным или печатным монтажом на дискретных элементах, либо в интегральном виде полностью или частично.
По сравнению с прототипом повышается надежность работы оптронного тиристора в энергоемких устройствах при высоких уровнях токов и напряжений и повышенном уровне электромагнитных помех. Это достигается за счет повышения помехоустойчивости канала управления, снижения вероятности сбоев в управлении оптронным тиристором и исключения, по этой причине, возможного многократного увеличения токов утечки через фототиристорную структуру, имеющего место при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на фототиристорной структуре, приводящего к ее перегреву или к потере управляемости, увеличения допустимого уровня обратного напряжения на светодиоде, что предотвращает выход его из строя, поднятия порога отпирания, возможности простой подачи поддерживающего отрицательного сигнала управления. В случае несанкционированного поступления сигнала управления на оптронный тиристор при отрицательном напряжении на силовой фототиристорной структуре ток утечки через нее может увеличиться в 100÷200 раз, что приведет к быстрому перегреву структуры и потере управляемости или выходу оптронного тиристора из строя. Указанное может иметь мест о при сбоях в системах управления устройств на оптронных тиристорах, в переходных процессах, изменении порядка чередования фаз питающих сетей, выходе за разрешенные диапазоны регулирования, либо возникновении спонтанного излучения светодиода за счет энергии при высоких уровнях электромагнитных помех. Например, при применении оптронных тиристоров в управляемых выпрямителях на основе широко распространенной в области средних и больших мощностей трехфазной мостовой схемы Ларионова, угол фазового регулирования теоретически не может превышать 180 град. эл. Максимальный же разрешенный угол фазового регулирования должен формироваться системой управления устройством с учетом длительности сдвоенного импульса управления оптроннным тиристором, которая в правильно спроектированной системе достигает 20 град. эл. При некорректном способе управления весь импульс или часть импульса могут приходиться на интервал, где включение оптронного тиристора в прямом направлении уже невозможно, и он находится под отрицательным напряжением. Еще более сложным режимом работы является функционирование оптронного тиристора в варианте реализации управляемого выпрямителя с одновременной пакетной подачей импульсов управления на повышенной частоте на весь комплект используемых оптронных тиристоров. Периодическая повышенная тепловая нагрузка на силовую фототиристорную структуру от протекающих больших обратных токов утечки, в этом случае, является основной причиной выхода управляемого выпрямителя из строя из-за отказов оптронных тиристоров. В обоих заявляемых вариантах полезной модели может быть реализована подача поддерживающего отрицательного сигнала управления, что повышает порог помехоустойчивости канала и надежность управления оптронным тиристором при его работе в составе реальных устройств. При подаче поддерживающего отрицательного сигнала управления во временных интервалах работы, в которых напряжение на фототиристорной структуре отрицательное, светодиод не излучает световую энергию и ток утечки фототиристорной структуры остается в пределах нормы.
Надежность работы оптронного тиристора оценивается по времени наработки его на отказ. В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями время наработки оптронного тиристора на отказ увеличивается не менее, чем в 50 раз.
Дополнительно, по сравнению с прототипом, могут быть снижены требования к фототиристорной структуре, в том числе, к ее способности выдерживать прямое и обратное напряжение. В оптронном тиристоре на заданный класс напряжения может быть использована силовая полупроводниковая структура с существенно более низким напряжением включения и напряжением загиба (пробоя).
Дополнительно, по сравнению с прототипом, уменьшается стоимость оптронного тиристора на заданные ток и напряжение, за счет возможности применения материалов с более низкой ценой.