Моделирование заряда обратного восстановления тиристора

Разработка модели тиристора. Быстродействующие импульсные тиристоры большого диаметра обычно изготавливаются с так называемым внутренним усилением включающего импульса управления. Это реализуется путем каскадного соединения вспомогательного маломощного тиристора VS1 с основным мощным тиристором VS2, имеющим обширно разветвленный внутренний управляющий электрод, который обеспечивает достаточно большую площадь начального включения и быстрое ее увеличение в процессе протекания анодного тока. На рисунке 1 (а) представлена эквивалентная схема, а на рисунке 1 (б) – поперечное сечение такого тиристора.

Двухмерная цилиндрическая элементарная ячейка, предложенная в [1], не содержит управляющего электрода и, соответственно, не учитывает особенности конструкции и периметр управляющего электрода, а также топологию шунтировки катодного эмиттера. Учесть эти особенности позволит только трехмерная модель.

Структура элементарных ячеек создавалась с помощью программы MESH, входящей в состав Synopsys TCAD [2]. На рисунке 2 (а) показана структура элементарной ячейки вспомогательного тиристора, на рисунке 2 (б) показан фрагмент структуры элементарной ячейки с сеткой. На рисунке 3 (а) показана структура элементарной ячейки основного тиристора, на рисунке 3 (б) показан фрагмент структуры элементарной ячейки с сеткой.

а)

б)

Рис 1. Эквивалентная схема тиристора с регенеративным управляющим электродом и его поперечное сечение.

а)

б)

Рис. 2. Трехмерная структура элементарной ячейки вспомогательного тиристора.

а)

б)

Рис. 3. Трехмерная структура элементарной ячейки основного тиристора.

Контурами фиолетового цвета показаны контакты управляющего электрода и катода (сверху) и анода (снизу). С целью уменьшения количества элементов сетки круглые шунты были заменены на квадратные с сохранением площади, элементарная ячейка вспомогательного тиристора имеет прямоугольную форму. Количество элементарных ячеек вспомогательного и основного тиристоров выбиралось таким, чтобы площади катодных эмиттеров вспомогательного и основного тиристоров модели соответствовали площади катодных эмиттеров вспомогательного и основного тиристоров в реальном тиристоре. Количество элементов сетки вспомогательного тиристора около 30000, количество элементов сетки основного тиристора более 130000.

Разработанные трехмерные модели элементарных ячеек учитывают периметр управляющего электрода, а также топологию шунтировки катодного эмиттера. Единственное, что не учитывает модель элементарной ячейки основного тиристора – конструкцию управляющего электрода.

Моделирование заряда обратного восстановления тиристора. Моделирование проводилось с помощью программы SDEVICE, входящей в состав Synopsys TCAD [3]. При моделировании использовалась дрейфово-диффузионная модель, в которой решается феноменологическая система дифференциальных уравнений полупроводника и учитываются следующие эффекты:

• 1)    Сужение ширины запрещенной зоны кремния с ростом температуры и концентрации легирующей примеси;

• 2)    Рассеяние носителей заряда на фононах и на заряженных ионах примеси, электроннодырочное рассеяние, а также насыщение дрейфовой скорости носителей заряда в высоких полях;

• 3)    Рекомбинация Шокли-Холл-Рида с временами жизни неравновесных носителей заряда, зависящими от концентрации легирующей примеси и температуры, а также Оже-рекомбинация с зависящими от температуры коэффициентами Оже-рекомбинации.

Времена жизни электронов и дырок 4 мкс.

Измерение и моделирование проводилось в следующих условиях:

• -    амплитуда тока в открытом состоянии: 500 А,

• -    длительность тока в открытом состоянии: 1500 мкс,

• -    скорость спада тока di/dt : -20 А/мкс,

• -    амплитуда обратного напряжения: -80 В.

• -    температура: 125 ° C.

На рисунке 4 показан график обратного тока, полученный в результате моделирования в сравнении с графиком обратного тока реального тиристора, полученным в результате измерений. Из графика видно, что для модели максимальный ток обратного восстановления I rr = 103 А., время обратного восстановления t rr = 9,2 мкс, заряд обратного восстановления Q rr =474 мкКл. Для реального тиристора I rr = 96 А, t rr = 9 мкс, Q rr = 432 мкКл.

Таким образом, заряд обратного восстановления Q rr модели превышает заряд обратного восстановления реального тиристора на 9%.

Измерения             Моделирование

Рис. 4. Графики обратного тока модели и реального тиристора.

Причины такого различия могут быть следующими.

Во-первых, температурная зависимость времени жизни носителей заряда реального тиристора может отличаться от температурной зависимости времени жизни носителей заряда в Synopsys TCAD. Температурная зависимость времени жизни носителей заряда в Synopsys TCAD моделируется степенным законом:

^T (T ) = ^T 0

t Y

где α = 1.5 для электронов и дырок. Для реального тиристора показатель степени α может отличаться. Для этого нужно снять температурную зависимость времени жизни реального тиристора и определить показатель степени α .

Во-вторых, реальный тиристор может не полностью включиться за время протекания прямого тока.

Результаты моделирования показали, что только к моменту времени 900 мкс относительно подачи управляющего импульса ток равномерно распространился по всему катодному эмиттеру. Таким образом, время полного включения модели тиристора составляет порядка 900 мкс. Однако в модели все элементарные ячейки основного тиристора включаются одновременно по всему периметру управляющего электрода. В реальном же тиристоре, особенно большого диаметра, содержащим вспомогательный тиристор и основной тиристор с разветвленным управляющим электродом, первоначальное включение основного тиристора происходит далеко не по всему периметру управляющего электрода, а лишь в небольшой области вблизи катода вспомогательного тиристора.

Заключение. В ходе выполнения данной работы получены следующие результаты:

• 1.    Разработаны трехмерные модели элементарных ячеек основного и вспомогательного тиристоров для быстродействующего импульсного тиристора, учитывающие периметр управляющего электрода, а также топологию шунтировки катодного эмиттера. Единственное, что не учитывает модель элементарной ячейки основного тиристора – конструкцию управляющего электрода.

• 2.    Результаты моделирования показали, что заряд обратного восстановления модели превышает заряд обратного восстановления реального тиристора на 9%. Причины такого различия могут быть следующими. Во-первых, температурная зависимость времени жизни носителей заряда реального тиристора может отличаться от температурной зависимости времени жизни носителей заряда в Synopsys TCAD. Во-вторых, реальный тиристор может не полностью включиться за время протекания прямого тока.