ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ТИРИСТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно, к мощным тиристорам с оптическим управлением, которые являются важнейшими компонентами современной элементной базы преобразовательной техники, и применяются в высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередач постоянного тока (HVDC), компенсаторах реактивной мощности (SVC), высоковольтных электроприводах (IDCD), мощных импульсных генераторах (РР) и различных силовых установках постоянного тока.
Известны базовые тиристоры первой категории, работающие при низких частотах, управляемые током, включающие электрический источник излучения, кремниевую тиристорную структуру, управляющий электрод (медный провод), катод и анод [П. Тейлор «Расчет и проектирование тиристоров», М., «Энергоатомиздат» 1990. с. 18]. Принцип действия заключается в подаче импульса тока через управляющий электрод на тиристорную структуру, находящуюся в непроводящем состоянии, в результате чего происходит включение устройства и замыкание цепи.
Недостатки данного типа тиристоров:
1. При работе в открытом состоянии при низких частотах происходит падение напряжения, что приводит к медленному выключению прибора.
2. Кроме того, тиристоры такой конструкции не защищены от пробоев, поэтому имеют короткий срок эксплуатации.
3. Материал управляющего электрода подвержен влиянию электромагнитных полей электрооборудования.
Известны мощные высоковольтные тиристоры с оптическим управлением [В. Мартыненко, Г. Чумаков, А. Хапугин, А. Конюхов, И. Веселова, А. Сурма «Мощные высоковольтные тиристоры с оптическим управлением», «Современная электроника», СТА-Пресс, №9, 2008. с. 30-31] включающие:
- источник излучения (лазерный диод);
- кремниевую тиристорную структуру;
- катод и анод;
- оптоволоконный канал (кварцевый световод).
Высоковольтные тиристоры управляются световым импульсом ИК-диапазона с длиной волны 940-980 нм, который передается через кварцевый световод, и, проникая в тиристорную структуру, генерирует фототок, переводя тиристор в открытое состояние.
-1
Основным недостатком высоковольтных тиристоров, управляемых световым импульсом, является узкий диапазон излучения лазерного диода, который работает в ближнем инфракрасном диапазоне спектра на длине волны 940-980 нм. На рисунке 1 представлен спектр поглощения кремния, который показывает, что данная длина волны не является эффективной, поскольку кремний, из которого изготовлена тиристорная структура, прозрачен в спектральном диапазоне от 1000 до 8000 нм, а в области длин волн от 940 до 980 нм кремний имеет высокий коэффициент поглощения ≈ 75-80 см [Е.М. Воронков, Б.Н. Гречушников, Г.И. Дистлер, И.П. Петров Справочное издание, М. «Наука» 1965. с. 210, рис. 43.3]. Поэтому в диапазоне 940-980 нм глубина проникновения инфракрасного излучения в кремниевую тиристорную структуру составляет всего 60 нм [П. Тейлор «Расчет и проектирование тиристоров», М., «Энергоатомиздат» 1990. с. 117]. Этой глубины недостаточно для преодоления первого слоя n-типа, который составляет 5-9 мкм [П. Тейлор «Расчет и проектирование тиристоров», М., «Энергоатомиздат» 1990. с. 119]. Другим недостатком высоковольтных тиристоров, управляемых световым импульсом, является использование в качестве оптоволоконного канала кварцевого световода прозрачного в спектральном диапазоне от 200 до 2000 нм. Такой оптоволоконный канал значительно ограничивает выбор источника излучения, оптимальная длина волны которого должна лежать в диапазоне пропускания материала, применяемого для изготовления тиристорной структуры.
Задачей полезной модели является создание источника излучения, работающего в среднем инфракрасном диапазоне спектра (от 2500 до 25000 нм), что обеспечивает проникновение излучения генерирующего фототок в тиристорную структуру на глубину более 5 мкм. Этот эффект достигается также и заменой кварцевого световода, прозрачного в узком спектральном диапазоне (от 200 до 2000 нм), на инфракрасный световод прозрачный в широком спектральном диапазоне (от 400 до 30000 нм).
X
1-X
Указанная задача решается тем, что в оптоэлектронном волоконном тиристоре, управляемым инфракрасным излучением, включающим источник излучения, кремниевую тиристорную структуру, катод, анод и оптоволоконный канал, источник излучения выполнен в виде СО-лазера, а в качестве оптоволоконного канала используют инфракрасные световоды на основе твердых растворов галогенидов серебра AgClBr,
X
1-X
На рисунке 2 изображен новый оптоэлектронный волоконный тиристор, управляемый ИК-излучением, который имеет ряд преимуществ в сравнении с прототипом, основным из которых является то, что управление осуществляется световым импульсом инфракрасного диапазона на длине волны 5000-6000 нм СО-лазера (источник излучения). Управляющий световой импульс от источника излучения (1) передается светочувствительной кремниевой тиристорной структуре (3) через оптоволоконный канал (2), изготовленный из инфракрасных световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра AgClBr, прозрачных в спектральном диапазоне от 400 до 30000 нм без окон поглощения [Л.В. Жукова, А.С. Корсаков, Д.С. Врублевский «Новые инфракрасные материалы: кристаллы и световоды», Монография, Екатеринбург, Издательство Уральского университета, 2014. с. 193-195]. Если к аноду (5) приложен отрицательный по отношению к катоду (4) потенциал, тиристор обладает высоким сопротивлением. Если к аноду приложен положительный потенциал, то прибор также имеет высокое сопротивление до тех пор, пока через его оптоволоконный канал не подается управляющий световой импульс. После этого происходит включение тиристора. Во время работы прибора внутри тиристорной структуры происходит нагрев вследствие преодоления потенциального барьера между слоями p и n. Для исключения перегрева в компоновку прибора входит радиатор (7). Кроме того, в тиристоре предусмотрены изолирующие вставки (8) исключающие пробои и повреждение электрическим током конструкции прибора.
X
1-X
Технический результат полезной модели достигается благодаря использованию в качестве источника излучения СО-лазера, передающего инфракрасный импульс на длине волны 5000 - 6000 нм, который проникает в кремниевую тиристорную структуру на глубину до 10 раз превышающую глубину проникновения управляющего светового импульса лазерного диода (940-980 нм). Следовательно, можно изготавливать тиристорную структуру без шунтирования, что в значительной степени упростит и удешевит процесс их производства. Шунтирование в прототипе необходимо для доставки инфракрасного управляющего импульса сразу на р-слой в обход n-слоя тиристорной структуры. Кроме того, применение в качестве оптоволоконного канала инфракрасных световодов на основе твердых растворов галогенидов серебра AgClBr, прозрачных в широком спектральном диапазоне от 400 до 30000 нм, хорошо согласуется с прозрачностью кремниевой тиристорной структуры в диапазоне от 1000 до 8000 нм. Таким образом, согласно спектру поглощения кремния представленному на рисунке 1, на длине волны 5000-6000 нм коэффициент поглощения кремния практически стремится к нулю.
Технический результат полезной модели «Оптоэлектронный волоконный тиристор, управляемый инфракрасным излучением» направлен на увеличение надежности и стабильности его работы в энергоемких устройствах при высоких уровнях токов и напряжений, а также повышенном уровне электромагнитных помех.