СИЛОВОЙ 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 силового оптронного тиристора.
Известен силовой 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 силового оптронного тиристора является низкая надежность его 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 силовой 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 силового 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 силовой 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)
Недостатком силового оптронного тиристора является низкая надежность его 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 силовой оптронный тиристор, содержащий основную тиристорную структуру и вспомогательную фототиристорную структуру, резистор, соединяющий управляющий электрод и катод основной тиристорной структуры, светодиод, связанный с вспомогательной фототиристорной структурой по оптическому каналу, вспомогательная фототиристорная структура соединяет анод и управляющий электрод основной тиристорной структуры (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. - М.: Додэка-XXI, 2001. - С.84-86)
Указанный силовой оптронный тиристор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком силового оптронного тиристора является низкая надежность его 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 вспомогательную фототиристорную структуру при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на вспомогательной фототиристорной структуре, приводящим к ее перегреву или потере управляемости. Выход из строя вспомогательной фототиристорной структуры приводит к выходу из строя основной тиристорной структуры.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы силового 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 силовом оптронном тиристоре, содержащем основную тиристорную структуру и вспомогательную фототиристорную структуру, резистор, соединяющий управляющий электрод и катод основной тиристорной структуры, светодиод, связанный с вспомогательной фототиристорной структурой по оптическому каналу, последовательно с вспомогательной фототиристорной структурой включен диод и образует с ней последовательное электрическое соединение, которое соединяет анод и управляющий электрод основной тиристорной структуры.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы силового 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 канале управления силовым оптронным тиристором и исключением возможного многократного увеличения токов утечки через вспомогательную фототиристорную структуру, имеющим место при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на вспомогательной фототиристорной структуре, приводящим к ее перегреву или потере управляемости.
Повышение надежности работы силового 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 силового оптронного тиристора являются существенными.
На рисунке приведена схема модели силового оптронного тиристора
Силовой оптронный тиристор содержит основную тиристорную структуру 1 и вспомогательную фототиристорную структуру 2, резистор 3, соединяющий управляющий электрод и катод основной тиристорной структуры, светодиод 4, связанный с вспомогательной фототиристорной структурой по оптическому каналу. Последовательно со вспомогательной фототиристорной структурой включен диод 5, который образует с ней последовательное электрическое соединение, соединяющее анод и управляющий электрод основной тиристорной структуры.
Силовой оптронный тиристор работает следующим образом. Сигнал управления соответствующей полярности подается на выводы излучающего светодиода 4. Под действием энергии света излучающего светодиода 4 во вспомогательной фототиристорной структуре 2 генерируются носители заряда. Вспомогательная фототиристорная структура 2 имеет, как минимум, четыре чередующихся слоя полупроводника с соответствующими типами проводимости (p, n) и, как минимум, три p-n-перехода. Светодиод 4 и вспомогательная фототиристорная структура 2 связаны только по оптическому каналу и не имеют электрической связи, то есть, гальваноразвязаны. Мощность светового потока излучающего светодиода 4, необходимая для переключения вспомогательной фототиристорной структуры 2, определяется глубиной залегания p-n-переходов под ее поверхностью, скоростью рекомбинации носителей и возрастает с увеличением длины волны излучения светодиода 4. Для надежного включения вспомогательной фототиристорной структуры 2 необходим сигнал управления (G) с малой длительностью фронта тока через светодиод 4 Вспомогательная фототиристорная структура 2 включается и проводит ток в прямом направлении от анода к катоду через управляющий электрод Y основной тиристорной структуры 1. В результате, основная тиристорная структура 1 также включается и начинает проводить ток нагрузки от анода А к катоду К. Основная тиристорная структура 1 также имеет, как минимум, четыре чередующихся слоя полупроводника с соответствующими типами проводимости (p, n) и, как минимум, три p-n-перехода. Резистор 3 защищает управляющий электрод Y основной тиристорной структуры 1 от протекания значительных емкостных токов p-n-переходов и повышает ее стойкость к скорости нарастания прямого напряжения. Диод 5 защищает вспомогательную фототиристорную структуру 2 от приложения к ней обратного напряжения, а также обеспечивает высокую помехоустойчивость канала управления силового оптронного тиристора и необходимые условия для надежного восстановления управляемости вспомогательной фототиристорной структуры 2.
Управляющая часть силового оптронного тиристора (элементы 2÷5) может быть выполнена навесным или печатным монгажом на дискретных элементах, либо в интегральном виде полностью или частично.
По сравнению с прототипом повышается надежность работы силового 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 вспомогательную фототиристорную структуру, имеющего место при поступлении управляющих сигналов на светодиод и отрицательном напряжении на вспомогательной фототиристорной структуре, приводящего к ее перегреву или к потере управляемости. В случае несанкционированного поступления сигнала управления на силовой оптронный тиристор при отрицательном напряжении на вспомогательной 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 место при сбоях в системах управления устройств на силовых 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 силовых 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 силовым 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 силового оптронного тиристора в прямом направлении уже невозможно, и он находится под отрицательным напряжением. Еще более сложным режимом работы является функционирование силового оптронного тиристора в варианте реализации управляемого выпрямителя с одновременной пакетной подачей импульсов управления на повышенной частоте на весь комплект используемых силовых оптронных тиристоров Периодическая повышенная тепловая нагрузка на вспомогательную фототиристорную структуру от протекающих больших обратных токов утечки, в этом случае, является основной причиной выхода управляемого выпрямителя из строя из-за отказов силовых оптронных тиристоров, так как выход из строя вспомогательной фототиристорной структуры автоматически приводит к выходу их строя основной тиристорной структуры. Диод также повышает порог помехоустойчивости канала и надежность управления силовым оптронным тиристором при его работе в составе реальных устройств. Напряжение на вспомогательной фототиристорной структуре не может быть отрицательным. Поэтому, даже если по каким либо причинам светодиод несанкционированно излучает световую энергию, ток утечки фототиристорной структуры ограничивается диодом и остается в пределах нормы и не влияет на режим работы. Вспомогательная фототиристорная структура за счет влияния последовательного диода эффективнее восстанавливает свои управляющие свойства
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÷60 раз.
Дополнительно, по сравнению с прототипом, могут быть снижены требования к вспомогательной фототиристорной структуре, в том числе, к ее способности выдерживать обратное напряжение. В силовом оптронном тиристоре на заданный класс напряжения может быть использована вспомогательная полупроводниковая структура с существенно более низким напряжением загиба (пробоя).
Дополнительно, по сравнению с прототипом, уменьшается стоимость силового оптронного тиристора на заданные ток и напряжение, за счет возможности применения элементов и материалов с более низкой ценой.