Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка и исследование физических и математических моделей для создания высоковольтных тиристоров с защитой от разрушающего отказа Силкин Денис Сергеевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Силкин Денис Сергеевич. Разработка и исследование физических и математических моделей для создания высоковольтных тиристоров с защитой от разрушающего отказа: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.27.01 / Силкин Денис Сергеевич;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»], 2018.- 113 с.

Введение к работе

Актуальность работы

Развитие науки и техники сегодня приводит к увеличению потребления электроэнергии, как на бытовом, так и на промышленном уровне. Растёт мощность промышленного оборудования, увеличивается количество электроэнергии, идущей по системам электропередачи. Для управления и преобразования этих мощностей используются тиристоры высокой мощности с рабочими напряжениями выше 5000 В и рабочими токами выше 1500 А.

В преобразователях, рассчитанных на работу при
напряжениях в несколько десятков, а иногда и сотен тысяч
вольт, используется последовательное соединение до
нескольких десятков таких тиристоров. Такие
преобразователи используются в электрифицированном
транспорте (железнодорожном, водном, городском,
автомобильном), военно-промышленном комплексе,

металлургии, горнодобывающей промышленности,

применяются в сетях высоковольтных линий передачи на постоянном токе (HVDC).

Неконтролируемое включение одного из

последовательно соединённых тиристоров может привести к выходу из строя всего преобразователя. Поэтому разработка эффективных средств защиты мощных силовых тиристоров от разрушения при неконтролируемом включении является одним из перспективных направлений развития в области проектирования компонентной базы силовой электроники.

Целью диссертационной работы является разработка аналитических и физико-топологических моделей неконтролируемого включения высоковольтных тиристоров, и создание на их основе методик проектирования высоковольтных тиристоров со встроенной защитой от разрушения при неконтролируемом включении, а также

разработка методики определения номиналов защитных RC цепей в преобразователях при последовательном соединении тиристоров с разбросом по заряду обратного восстановления. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

выбрать схемотехническую модель тиристора, способную наиболее точно отразить процессы, происходящие при переключениях последовательно соединённых тиристоров в преобразовательных схемах;

разработать методику определения номиналов элементов защитных RC цепей для последовательно соединённых высоковольтных тиристоров в преобразовательных схемах;

- разработать аналитическую модель влияния параметров
N’ слоя с повышенной концентрацией доноров в n-базе
тиристора, получаемого с помощь протонного облучения, на
напряжение включения;

- разработать физико-топологическую модель
высоковольтного тиристора;

- разработать рекомендации по оптимальной глубине
травления краевой фаски для минимизации её влияния на
напряжение включения тиристорной структуры;

- с помощью разработанных моделей предложить
методику расчёта параметров протонного облучения (энергии
и дозы), необходимых для локального понижения
напряжения включения на заданную величину, для
реализации встроенной защиты высоковольтного тиристора
от разрушения при перенапряжении;

- разработать аналитическую модель влияния положения
и размеров цилиндрических шунтов в усилительных затворах
тиристора на эффект dV/dt.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Разработана аналитическая модель, связывающая дозу примеси и положение N’-слоя в n-базе тиристора с напряжением пробоя.

  2. Разработана методика расчёта дозы имплантации и положения N’-слоя для реализации встроенной защиты тиристора от разрушения из-за перенапряжения.

  3. Разработана аналитическая модель влияния положения и размеров цилиндрических шунтов во вспомогательном тиристоре на эффект dV/dt.

4. Разработана методика определения номиналов RC-
цепей для последовательного соединения высоковольтных
тиристоров с наихудшим случаем разброса по заряду
обратного восстановления с помощью физической
одномерной модели тиристора.

Достоверность и обоснованность результатов

В основе выведенных аналитических соотношений и
разработанных методик лежат базовые, основополагающие
уравнения физики полупроводников и электротехники. В
ходе вывода соотношений использовались общепризнанные и
широко используемые методы. Основные предположения,
сделанные при разработке методик, опираются на
экспериментальные данные и согласуются с

опубликованными экспериментальными данными других авторов. Достоверность результатов подтверждается также согласованием результатов аналитических расчётов, численного моделирования и экспериментальных данных.

Практическая значимость

  1. Разработанная методика определения номиналов элементов защитных RC цепочек позволит повысить надёжность последовательно соединённых высоковольтных тиристоров в преобразовательных схемах.

  2. Разработанная методика расчёта энергии и дозы протонного облучения позволит сократить затраты на эксперименты при подборе этих параметров для создания

элементов встроенной защиты от перенапряжения в разных типах тиристоров.

3. Разработанная модель влияния положения и размеров шунтов на эффект dV/dt позволит сократить затраты на проектирование топологии тиристоров со встроенной защитой от разрушения из-за эффекта dV/dt.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения номиналов элементов RC-цепей
для последовательного соединения мощных тиристоров с
наихудшим случаем разброса по заряду обратного
восстановления.

  1. Аналитическая модель, описывающая зависимость напряжения пробоя тиристора от дозы имплантации и положения тонкого N’-слоя с повышенным уровнем доноров в его базовой области.

  2. Методика оценки дозы и энергии протонов для создания тиристоров со встроенной защитой от перенапряжения.

4. Аналитическая модель влияния положения и размеров
цилиндрических шунтов во вспомогательном затворе
высоковольтного тиристора на эффект dV/dt.

Апробация

Основные результаты работы были представлены на следующих международных и российских конференциях:

1. Международные конференции «Актуальные проблемы
электронного приборостроения», Новосибирск, НГТУ, 2014 и
2016 года.

  1. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», Москва, МИЭТ, 2016 год.

  2. Международные научно-технические конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», Саранск, МГПИ, 2013 и 2015 года.

4. Международная научно-практическая конференция
«Энергосбережение, электромагнитная совместимость и
качество в электрических системах», Пенза, Приволжский
Дом Знаний, 2014.

5. Российско-белорусская научно-техническая
конференция «Элементная база отечественной
радиоэлектроники: импортозамещение и применение»,
Нижний Новгород, НГУ им. Лобачевского, 2015.

6. Всероссийская научно-техническая конференция
студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность
и энергобезопасность производственных процессов»,
Тольятти, ТГУ, 2014.

7. Внутривузовские научные конференции «Огарёвские
чтения», Саранск, МГУ им. Огарёва, 2012 и 2015 года.

Работы по теме диссертации проводились инициативно и по договору №13.G25.31.0030 в рамках реализации Постановления Правительства РФ от 9.04.2010 г. №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Отдельные результаты диссертационного исследования внедрены в производство и используются при проектировании высоковольтных тиристоров со встроенной защитой от перенапряжения на ПАО «Электровыпрямитель».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 статей, в том числе 4 – в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации