Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Есть информация о тиристоре Т50 – высылайте ее нам, мы ее разместим на этом сайте посвященному утилизации, аффинажу и переработке драгоценных и ценных металлов.

Фото тиристора Т50:

Предназначение прибора тиристора Т50.

Характеристики тиристора Т50:

Купить тиристор Т50 или продать Т50 (стоимость, купить, продать):

Отзыв о стабилитроне Т50 вы можете в комментариях ниже:

Тиристоры серии Т

Соответствуют техническим условиям ТУ16-529.793-73 и признана годной к эксплуатации.

Основные технические данные.

Основные параметры тиристоров при приемке и поставке не превышают норм, установленных в табл. 1.

Примечание: Тиристоры типов: Т25, Т60, Т100, Т160, Т3-160, Т2-200, Т3-200, Т2-250 имеют штыревую конструкцию. Тиристоры: Т250, Т9-250, Т320, Т2-320, Т500 – таблеточную конструкцию. В зависимости от значений повторяющихся напряжений тиристоры делятся на классы в соответствии с табл. 2.

Таблица 2

В зависимости от времени выключения, максимально-допустимой скорости нарастания прямого напряжения (du /dt) и максимально-допустимой скорости нарастания прямого тока тиристоры делятся на группы, значения которых приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Примечание: Для тиристоров, которым присвоен Государственный знак качества, группе «О» соответствует время выключения не более 500 мкс, du/dt не менее 10 в/мкс и di/dt не менее 10 A/мкс.
Тиристоры типов Т2-320, Т500 в случае пробоя полупроводниковой структуры выдерживают без выброса пламени и ионизированных газов воздействие одного импульса тока треугольной формы амплитудой 35 кА

Интенсивность отказов тиристоров не более 2 х 10 в -5 степени 1/ч, вероятность безотказной работы на время 18000 часов составляет 0,7.

Установившееся внутреннее тепловое сопротивление тиристоров — не более указанных в таблице 4.

Таблица 4.

Средний ресурс тиристоров в режимах и условиях, допускаемых техническими условиями, составляет не менее 50 000 часов.

Габаритные, установочные, присоединительные размеры и масса тиристоров приведены в приложении.

Примечания:

1.А-точка измерения температуры корпуса. У тиристоров таблеточной конструкции точка А выбирается на окружности с радиусом 5 мм, показываемой штриховой линией.

2.Содержание серебра в каждом тиристоре: Т3-200, Т2-250 – 0,02015 гр.; Т250, Т3-250, Т320 – 1,4077 гр,; Т500 – 2,3490 гр.

Указания по монтажу и эксплуатации.

Монтаж тиристоров должен обеспечивать надежный тепловой и электрический контакт между токосъемными выводами тиристоров, подводящими шинами и охладителями.

Величина закручивающего момента для тиристоров штыревой конструкции и усилие прижатия для тиристоров таблеточной конструкции должны соответствовать указанным в таблице 5.

Таблица 5.

Неплоскостность, шероховатость контактных поверхностей должны быть не более указанных в таблице 6.

Таблица 6.

При монтаже тиристоров с водяным охлаждением должна применяться замкнутая система охлаждения или охлаждение проточной водой, если ее качество удовлетворяет следующим требованиям:

а)жесткость не более 3,5663 мг. экв по ГОСТ 6055-51;

б)электрическое сопротивление не менее 2000 Ом х см;

в)нерастворимых осадков не более 0,05 мг/л.

При этом входным штуцером охладителя должен быть нижний.

При принудительном воздушном охлаждении тиристоры допускают работу в любом положении при условии перпендикулярности оси тиристора и параллельности ребер охладителя направлению потока охлаждающего воздуха.

В схеме должна быть предусмотрена быстродействующая защита тиристоров от недопустимых перегрузок, коротких замыканий, а также защита от коммутационных перенапряжений.

Если при транспортировании или во время эксплуатации тиристора штыревой конструкции произошел обрыв одной или нескольких жил внешнего вывода, то эти жилы необходимо обрезать с целью исключения возможности короткого замыкания.

Предельные значения электрических параметров тиристоров при эксплуатации не должны превышать значений, указанных в таблице 7.

Таблица 7.

Ударный ток и значение

При проверке потребителем соответствия тиристоров нормам действующих технических условий испытания должны проводиться в режимах и по методикам, указанным в технических условиях. На входном контроле у потребителей тиристоры не должны подвергаться испытания на термоциклы, длительную вибрацию, многократные удары.

По истечении времени наработки использование тиристоров в аппаратуре допускается в пределах ресурса при условии соответствия параметров тиристоров нормам технических условий.

Тиристоры допускают эксплуатацию в условиях воздействия на них механических нагрузок согласно таблицы 8.
Таблица 8

g — ускорение свободного падения.

Тиристоры допускают эксплуатацию в условиях воздействия на них климатических факторов согласно таблицы 9. Таблица 9

Транспортирование и хранение.

Транспортирование тиристоров осуществляется в упаковочной таре предприятия-изготовителя любым видом транспорта на любые расстояния.

Примечания:

Транспортирование самолетом тиристоров в сборе с охладителями допускается при температуре не ниже минус 60 ° и давлении не ниже 170 мм.рт.ст.

В случае поставки тиристоров таблеточной конструкции без охладителей не допускается транспортирование их при давлении ниже 600 мм рт.ст.

Храниться тиристоры должны в упаковке предприятия-изготовителя при относительной влажности до 80%, температуре от -50°С до +50°С, при отсутствии воздействия паров кислот, щелочей и других химических продуктов, разрушающих металлы и изоляцию.

Срок хранения тиристоров 3 года.

Маркировка.

Маркировка тиристора, нанесенная на корпуса, расшифровывается следующим образом, например:

Т9-250-12-321-1,85

Т – тиристор;

9 – конструктивное исполнение;

250 – предельный ток в амперах;

12 – класс по повторяющемуся напряжению;

3 – группа по максимально-допустимой скорости нарастания прямого напряжения;

2 – группа по времени выключения;

1 – группа по максимально-допустимой скорости нарастания прямого тока;

1,85 – прямое падение напряжения (маркируется только в технических обоснованных случаях по заказу потребителя).

Кроме того на корпусе нанесены:

а)товарный знак предприятия-изготовителя;

б)символ полярности для тиристоров штыревой конструкции;

Θ – знак, обозначающий катод таблеточных тиристоров;

в)месяц и две последние цифры года изготовителя.

Комплект поставки.

В комплект поставки входят:

а)партия тиристоров в соответствии с разделом 7;

б)паспорт на партию тиристоров.

Гарантийные обязательства.

Предприятие-изготовитель в течение 2 лет со дня ввода тиристоров в эксплуатацию обязано безвозмездно и в кратчайший технически возможный срок заменять тиристоры, вышедшие из строя по вине предприятия-изготовителя, а также не соответствующие требования и технических условий, при условии хранения, монтажа и эксплуатации тиристоров в соответствии с данным паспортом.

Тиристоры серии т » Радиоэлектроника

Тиристоры серии Т: Т25, Т60, Т100, Т160, Т3-160, Т2-200, Т3-200, Т250, Т2-250, Т9-250, Т320, Т2-320, Т500. Тиристоры серии Т на токи от 25 до 500 А созданы для внедрения в статических полупроводниковых преобразователях электронной энергии, также в цепях неизменного и переменного тока частоты до 500 Гц.

Соответствуют техническим условиям ТУ16-529.793-73 и признана пригодной к эксплуатации.

Главные технические данные.

Главные характеристики тиристоров при приемке и поставке не превосходят норм, установленных в табл. 1.

Типы тиристоров

Предельный ток при температуре корпуса 85°С, А

Циклическое напряжение, В

Оборотный ток и ток утечки при циклическом напряжении, мА, менее

Прямое падение напряжения при амплитудном значении предельного тока, В, менее

Т25

25

100-1400

10

1,90

Т60

50

15

1,75

Т100

100

20

1,95

Т160

160

100-1400

20

1,75

Т3-160

600-2200

50

1,95

Т2-200

200

100-1400

40

1,80

Т3-200

600-2200

50

1,85

Т250

250

100-2200

2,30

Т2-250

100-1400

1,64

Т9-250

400-1600

15

1,85

Т320

320

100-1600

40

2,10

Т2-320

100-1600

20

Т500

500

100-1600

Примечание: Тиристоры типов: Т25, Т60, Т100, Т160, Т3-160, Т2-200, Т3-200, Т2-250 имеют штыревую конструкцию. Тиристоры: Т250, Т9-250, Т320, Т2-320, Т500 – таблеточную конструкцию. Зависимо от значений циклических напряжений тиристоры делятся на классы в согласовании с табл. 2.

Таблица 2

Классы тиристоров

Повторяющиееся напряжение, В

Неповторяющееся напряжение, В

1

100

110

2

200

225

3

300

335

4

400

450

5

500

560

6

600

670

7

700

785

8

800

900

9

900

1000

10

1000

1120

11

1100

1230

12

1200

1340

13

1300

1460

14

1400

1570

16

1600

1800

18

1800

2000

20

2000

2250

22

2200

2460

Зависимо от времени выключения, максимально-допустимой скорости нарастания прямого напряжения (du /dt) и максимально-допустимой скорости нарастания прямого тока тиристоры делятся на группы, значения которых приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Группы Время выключения, мкс, менее Максимально-допустимая скорость нарастания прямого напряжения, в/мкс, более Максимально-допустимая скорость нарастания прямого тока, А/мкс, более 3 100 100 70 4 70 200 100 5 50 500 200 6 30 1000 400

Примечание: Для тиристоров, которым присвоен Муниципальный символ свойства, группе «О» соответствует время выключения менее 500 мкс, du/dt более 10 в/мкс и di/dt более 10 A/мкс.

Тиристоры типов Т2-320, Т500 в случае пробоя полупроводниковой структуры выдерживают без выброса пламени и ионизированных газов воздействие 1-го импульса тока треугольной формы амплитудой 35 кА

Интенсивность отказов тиристоров менее 2 х 10 в -5 степени 1/ч, возможность неотказной работы на время 18000 часов составляет 0,7.

Установившееся внутреннее термическое сопротивление тиристоров — менее обозначенных в таблице 4.

Таблица 4.

Типы

Установившиеся термические сопротивления

структура-корпус, °С/Вт

структура-анодный вывод, °С/Вт

структура-катодный вывод, °С/Вт

Т25

0,9

—

—

Т50

0,5

—

—

Т100

0,17

—

—

Т160

—

—

Т3-160

0,14

—

—

Т2-200

0,12

Т3-200

0,14

—

—

Т9-250, Т250, Т320

0,057

0,07

0,3

Т2-250

0,09

—

—

Т2-320

0,038

0,05

0,15

Т500

Средний ресурс тиристоров в режимах и критериях, допускаемых техническими критериями, составляет более 50 000 часов.

Габаритные, установочные, присоединительные размеры и масса тиристоров приведены в приложении.

Примечания:

1.А-точка измерения температуры корпуса. У тиристоров таблеточной конструкции точка А выбирается на окружности с радиусом 5 мм, показываемой штриховой линией.

2.Содержание серебра в каждом тиристоре: Т3-200, Т2-250 – 0,02015 гр.- Т250, Т3-250, Т320 – 1,4077 гр,- Т500 – 2,3490 гр.

Указания по монтажу и эксплуатации.

Установка тиристоров должен обеспечивать надежный термический и электронный контакт меж токосъемными выводами тиристоров, подводящими шинами и охладителями.

Величина закручивающего момента для тиристоров штыревой конструкции и усилие прижатия для тиристоров таблеточной конструкции должны соответствовать обозначенным в таблице 5.

Таблица 5.

Типы тиристоров

Закручивающий момент, Нм

Усилие прижатия, Н

Т25

10

—

Т50

40

Т100

50

—

Т160

Т3-160

60

—

Т2-200

Т3-200

Т9-250

—

10000±2000

Т250

Т2-250

60

—

Т320

—

10000±2000

Т2-320

—

15000±2000

Т500

Неплоскостность, шероховатость контактных поверхностей должны быть менее обозначенных в таблице 6.

Таблица 6.

Предназначение охладителей

Неплоскостность, мм, менее

Шероховатость, мкм, менее

Для тиристоров штыревой конструкции

0,03

3,2

Для тиристоров таблеточной конструкции

0,025

1,6

При монтаже тиристоров с водяным остыванием должна применяться замкнутая охлаждающая система либо остывание проточной водой, если ее качество удовлетворяет последующим требованиям:

а)твердость менее 3,5663 мг. экв по ГОСТ 6055-51-

б)электронное сопротивление более 2000 Ом х см —

в)нерастворимых осадков менее 0,05 мг/л.

При всем этом входным штуцером охладителя должен быть нижний.

При принудительном воздушном охлаждении тиристоры допускают работу в любом положении при условии перпендикулярности оси тиристора и параллельности ребер охладителя направлению потока охлаждающего воздуха.

В схеме должна быть предусмотрена быстродействующая защита тиристоров от недопустимых перегрузок, маленьких замыканий, также защита от коммутационных перенапряжений.

Если при транспортировании либо во время эксплуатации тиристора штыревой конструкции произошел обрыв одной либо нескольких жил наружного вывода, то эти жилы нужно обрезать с целью исключения способности недлинного замыкания.

Предельные значения электронных характеристик тиристоров при эксплуатации не должны превосходить значений, обозначенных в таблице 7.

Таблица 7.

Ударный ток и значение

для 10 мс при максимально-допустимой температуре р-п-р-п структуры с следующим приложением одиночного импульса оборотного напряжения синусоидальной формы продолжительностью 10 мс и амплитудой, равной 0,8 циклического напряжения, для тиристоров Т2-320, Т500 более 7000 А и 245000 А в квадрате умноженное на c, 7500 А и 281200 А в квадрате умноженное на с соответственно.

При проверке потребителем соответствия тиристоров нормам действующих технических критерий тесты должны проводиться в режимах и по методикам, обозначенным в технических критериях. На входном контроле у потребителей тиристоры не должны подвергаться тесты на термоциклы, долгосрочную вибрацию, неоднократные удары.

По истечении времени выработки внедрение тиристоров в аппаратуре допускается в границах ресурса при условии соответствия характеристик тиристоров нормам технических критерий.

Тиристоры допускают эксплуатацию в критериях воздействия на их механических нагрузок согласно таблицы 8.

Таблица 8

Наименованиевоздействующих причин

Значение воздействующих причин

Вибрация: спектр частот, Гц

1-100

ускорение, g

5

Неоднократные удары: ускорение, g

15

продолжительность удара, мс

2-15

g — ускорение свободного падения.

Тиристоры допускают эксплуатацию в критериях воздействия на их погодных причин согласно таблицы 9. Таблица 9

Наименование воздействующих причин

Значение воздействующих причин для исполненийй

У2

У3

У4

Температура окружающего воздуха, °С

от минус 50 до плюс 45

Темпратура охлаждающей воды, °С

от 1 до 40

Относительная влажность воздуха при температуре 25°С, %

100

98

80

Атмосферное давление мм рт. ст., более

630

Транспортирование и хранение.

Транспортирование тиристоров осуществляется в упаковочной таре предприятия-изготовителя хоть каким видом транспорта на любые расстояния.

Примечания:

Транспортирование самолетом тиристоров в сборе с охладителями допускается при температуре не ниже минус 60 ° и давлении не ниже 170 мм. рт. ст.

В случае поставки тиристоров таблеточной конструкции без охладителей не допускается транспортирование их при давлении ниже 600 мм рт. ст.

Храниться тиристоры должны в упаковке предприятия-изготовителя при относительной влажности до 80%, температуре от -50°С до +50°С, при отсутствии воздействия паров кислот, щелочей и других хим товаров, разрушающих металлы и изоляцию.

Срок хранения тиристоров 3 года.

Маркировка.

Маркировка тиристора, нанесенная на корпуса, расшифровывается последующим образом, к примеру:

Т9-250-12-321-1,85

Т – тиристор —

9 – конструктивное исполнение —

250 – предельный ток в амперах —

12 – класс по циклическому напряжению —

3 – группа по максимально-допустимой скорости нарастания прямого напряжения —

2 – группа по времени выключения —

1 – группа по максимально-допустимой скорости нарастания прямого тока —

1,85 – прямое падение напряжения (маркируется исключительно в технических обоснованных случаях по заказу потребителя).

Не считая того на корпусе нанесены:

а)товарный символ предприятия-изготовителя —

б)знак полярности для тиристоров штыревой конструкции —

&#920- – символ, обозначающий катод таблеточных тиристоров —

за месяц и две последние числа года изготовителя.

Набор поставки.

В набор поставки входят:

а)партия тиристоров в согласовании с разделом 7-

б)паспорт на партию тиристоров.

Гарантийные обязательства.

Предприятие-изготовитель в течение 2 лет со денька ввода тиристоров в эксплуатацию должно безвозмездно и в кратчайший на техническом уровне вероятный срок подменять тиристоры, вышедшие из строя по вине предприятия-изготовителя, также не надлежащие требования и технических критерий, при условии хранения, монтажа и эксплуатации тиристоров в согласовании с данным паспортом.

Где и как применять защитные тиристоры SIDACtor от Littelfuse

28 мая 2018

Мощные помехи, возникающие в сетях переменного напряжения, способны повреждать электронные устройства. Для защиты электроники чаще всего используют варисторы, TVS-диоды, газовые разрядники и защитные тиристоры. Защитные тиристоры SIDACtor серий Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА производства компании Littelfuse применяются, когда требуется высокая точность напряжения ограничения. Они сочетают высокую стабильность и достаточно большой пиковый ток.

Защита от помех, возникающих в сетях переменного напряжения – одна из важнейших задач, стоящих перед разработчиками электронных устройств. Если эту задачу не решить на этапе разработки, то срок эксплуатации незащищенного электронного устройства может оказаться весьма коротким.

Существует несколько традиционных элементов защиты от перегрузок по напряжению: металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor), TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor), газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube) и защитные тиристоры [1]. У каждого из них есть свои плюсы и особенности применения. Поэтому при построении системы защиты разработчики зачастую используют комбинацию из нескольких элементов. Например, тиристор и варистор могут включаться последовательно.

Защитные тиристоры отличаются рекордной стабильностью характеристик, высокой скоростью включения и способностью многократно выдерживать мощные импульсы перенапряжений. К сожалению, их основным недостатком является невысокий пиковый ток. Однако производители работают над решением этой проблемы. Например, совсем недавно компания Littelfuse пополнила линейку защитных тиристоров SIDACtor двумя новыми семействами – Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА (рисунок 1).

Рис. 1. Защитные тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Структура и характеристики защитных тиристоров SIDACtor

Защитные тиристоры SIDACtor имеют только два вывода, то есть, по определению являются диодными тиристорами [2]. Их упрощенная структура включает в себя четыре слоя с разными типами проводимости: эмиттер (верхний N-слой), верхняя база (верхний P-слой), средний N-слой, нижняя база (нижний P-слой) (рисунок 2). Электрод, подключенный к эмиттеру, часто называют катодом, а электрод, подключенный к нижней базе – анодом.

Рис. 2. Упрощенная структура защитных тиристоров SIDACtor

Диодный тиристор можно рассматривать как два встречно включенных диода. При низких напряжениях такая структура не проводит ток ни в одном из направлений. При увеличении напряжения наблюдается незначительный рост тока утечки. Рост напряжения приводит к увеличению напряженности поля, приложенного к p-n переходам. При некотором значении напряженности возникает лавинный пробой. При этом сопротивление тиристора скачком уменьшается до очень малого значения. Проводящее состояние сохраняется до тех пор, пока ток в тиристоре не уменьшится до уровня, при котором прекращается лавинный пробой. В реальных схемах выключение тиристора происходит при смене полярности приложенного напряжения.

Скачкообразное изменение сопротивления приводит к разрыву вольт-амперной характеристики тиристора (рисунок 3). С помощью ВАХ можно охарактеризовать наиболее важные параметры этих компонентов.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика защитных тиристоров SIDACtor

V_DRM – рабочее напряжение: повторяющееся обратное напряжение в закрытом состоянии, при котором не происходит открытие тиристора.

I_DRM – максимальное значение тока утечки при напряжении V_DRM.

V_S – напряжение переключения: максимальное напряжение, при котором происходит включение тиристора при воздействии импульса 100 В/мкс. Этот параметр характеризует уровень ограничения напряжения.

I_S – ток переключения: максимальный ток, необходимый для включения тиристора.

I_H – ток удержания: минимальный ток, необходимый для удержания тиристора в открытом состоянии.

V_T – максимальное падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

I_Т – максимальный допустимый постоянный ток тиристора в открытом состоянии.

I_ТSM – максимальный допустимый ток тиристора в открытом состоянии при воздействии синусоидального напряжения.

I_PP – пиковый ток: максимальный допустимый импульсный ток тиристора в открытом состоянии.

di/dt – максимальная допустимая скорость нарастания тока.

Coff – собственная емкость в закрытом состоянии. Как правило, измеряется при напряжении 2 В и частоте 1 МГц.

Тиристоры SIDACtor являются полупроводниковыми силовыми компонентами и способны выдерживать множественные включения без существенного ухудшения характеристик (минимальная деградация). Тем не менее, если допустимая скорость нарастания тока di/dt будет превышена, то тиристор может выйти из строя. При этом значение максимального тока для SIDACtor оказывается достаточно скромным.

Сравнение характеристик защитных ограничителей напряжения

Для защиты от мощных помех в сетях переменного напряжения разработчики чаще всего используют следующие защитные элементы:

• тиристоры SIDACtor®;
• металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor),
• TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor),
• газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube).

Все перечисленные элементы подключаются параллельно нагрузке и имеют высокое сопротивление при отсутствии перенапряжений. При возникновении мощной помехи происходит активация защитного компонента. При этом тиристоры и газоразрядники при срабатывании формируют короткое замыкание, а варисторы и TVS-диоды ограничивают напряжение помехи. Рассмотрим достоинства и особенности применения всех представленных защитных компонентов (таблица 1) [2].

Таблица 1. Преимущества и особенности применения элементов защиты от перенапряжений

Тиристоры SIDACtor®

При возникновении помехи с напряжением, превышающим V_s, происходит открытие тиристора. При этом формируется состояние, близкое к короткому замыканию: напряжение на тиристоре скачком падает до очень малого значения (единицы В), а ток возрастает. Таким образом нагрузка оказывается защищенной от перенапряжений.

Тиристоры SIDACtor не могут быть повреждены напряжением. Кроме того, они отличаются минимальным временем включения и чрезвычайно высокой стабильностью напряжения срабатывания, которое практически не зависит от скорости нарастания помехи dv/dt (рисунок 4). Это делает тиристоры практически идеальным выбором, если требуется высокая точность установки напряжения ограничения.

Рис. 4. Стабильность напряжения включения для различных защитных компонентов

Важными достоинствами тиристоров также являются отличная долговременная стабильность и малая собственная емкость.

К особенностям применения тиристоров следует отнести необходимость использования защиты по току, например, предохранителей. В противном случае при превышении допустимых значений тиристор выйдет из строя.

Газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube)

Принцип работы газового разрядника построен на использовании газового пробоя [3]. Разрядник представляет собой герметично запечатанную керамическую колбу с инертным газом. Внутренняя часть электродов имеет особую форму, которая призвана сформировать электрическое поле. В ряде случаев разрядники снабжены дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip). При возникновении газового разряда, как и в случае с тиристорами, формируется состояние, близкое к короткому замыканию.

Основными достоинствами газовых разрядников являются высокие пиковые токи до 20 кА и рекордно низкая собственная емкость (единицы пФ). Разрядники чаще всего используются как первый рубеж защиты от перенапряжений и идеально подходят для высокочастотных схем.

К недостаткам разрядников можно отнести большую задержку включения, высокое и нестабильное напряжение ограничения, деградацию.

Металл-оксидные варисторы MOV

Варисторы являются наиболее распространенным типом защитных компонентов для сетей переменного напряжения [4].

Чаще всего для производства варисторов используется оксид цинка ZnO. При низких напряжениях ZnO фактически является диэлектриком с токами утечки в единицы микроампер. При увеличении напряжения выше некоторого предела (напряжения пробоя) происходит локальный разогрев оксида, что приводит к обратимому пробою. При пробое сопротивление резко уменьшается, а ток возрастает. Увеличение тока приводит к росту выделяемой мощности и разогреву структуры варистора. Значительное повышение рассеиваемой мощности может привести к необратимому тепловому пробою. При этом структура варистора разрушается.

Варисторы отличаются рекордно высокими пиковыми токами до 70 кА и способны эффективно поглощать мощные помехи. Вместе с тем их недостатками являются деградация параметров, высокая емкость и сильная зависимость напряжения ограничения от тока.

TVS-диоды

Принцип работы защитного TVS-диода основан на использовании обратимого пробоя [5]. Если к TVS приложить напряжение амплитудой больше определенного значения (напряжение пробоя), то начнется пробой с лавинообразным увеличением носителей. Ток, проходящий через диод, практически неограниченно возрастает, а напряжение меняется незначительно. В итоге происходит ограничение входного напряжения.

TVS-диоды эффективно справляются с быстрыми помехами, отличаются высокой стабильностью и длительным сроком службы. Тем не менее, TVS-диоды не являются идеальными защитными ограничителями. Во время пробоя при увеличении тока напряжение на диоде возрастает, хотя и не так быстро. Это приводит к тому, что уровень ограничения зависит от мощности помехи: чем мощнее помеха – тем выше напряжение ограничения.

Таким образом, все перечисленные элементы имеют свои плюсы и минусы. По этой причине разработчики часто используют совместное включение различных компонентов. Например, последовательное включение варистора и тиристора позволяет получать малое напряжение ограничения. Не стоит забывать и о том, что производители продолжают совершенствовать характеристики своей продукции.

Обзор семейств защитных тиристоров Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Pxxx0FNL – серия защитных тиристоров SIDACtor с пиковым импульсным током 3 кА (импульсы 8/20 мкс I_PP) и пиковым током 300 А в сетях 50/60 Гц (таблица 2). Диапазон рабочих напряжений (VDRM) для Pxxx0FNL составляет 58…350 В. Все тиристоры данной группы выпускаются в корпусном исполнении TO-262M.

Таблица 2. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0FNL

Pxxx0ME – серия тиристоров с импульсным током 5 кА (импульсы 8/20 мкс I_PP) и пиковым током 400 А в сетях 50/60 Гц. Представители семейства могут использоваться в диапазоне рабочих напряжений (VDRM) 140…450 В (таблица 3). Тиристоры Pxxx0FNL выпускаются в корпусном исполнении TO-218.

Таблица 3. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0ME

Если проанализировать характеристики данных семейств, то окажется, что они имеют несколько важных преимуществ перед другими элементами защиты от перенапряжений [1]:

• чрезвычайно малое напряжение в открытом состоянии по сравнению с газоразрядниками;
• минимальную разницу между рабочим напряжением и напряжением включения по сравнению с варисторами;
• высокое значение пиковых токов по сравнению с TVS-диодами;
• минимальную зависимость напряжения во включенном состоянии от тока по сравнению со всеми другими типами защитных элементов.

Рассмотрим особенности и примеры использования тиристоров SIDACtor.

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Типовая схема защиты устройства, питающегося от сети переменного напряжения, предполагает использование последовательного предохранителя и тиристора, включенного параллельно нагрузке (рисунок 5) [2]. В штатном режиме работы при отсутствии помех тиристор и предохранитель никак не влияют на работоспособность схемы. Как уже было сказано выше, при возникновении перенапряжения тиристор включается и переходит в проводящее состояние, близкое к короткому замыканию. Предохранитель необходим для защиты самого тиристора от перегрузки по току. Таким образом, схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузок по току при включении тиристора.

Рис. 5. Тиристорная защита устройства, питающегося от сети переменного напряжения [2]

Рис. 6. Тиристорная схема защиты с дополнительным предохранителем [2]

Рис. 7. Демонстрационная тиристорная схема защиты на базе P3800MEL [2]

На рисунке 8б показан отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Напряжение на тиристоре при включении падает ниже 10 В (осциллограмма синего цвета). Ток через тиристор достигает пикового значения 278 А (осциллограмма оранжевого цвета) и определяется во многом импедансом сети и мощностью источника питания. Стоит отметить, что указанный ток не способен повредить тиристор P3800MEL, так как не превышает максимально допустимого значения I_ТSM (50/60 Гц), равного 400 А (таблица 3).

Рис. 8. Отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME могут использоваться совместно с варисторами [2]. Такое решение дает целый ряд преимуществ. В частности, при их последовательном включении удается достичь малого напряжения ограничения. Поясним это на конкретном примере.

На рисунке 9 представлена защитная цепочка, состоящая из тиристора P2300MEL с рабочим напряжением 180 В, варистора V20E130P с рабочим напряжением 130 В и предохранителя. Данная схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузки по току.

Рис. 9. Схема защиты с низким напряжением ограничения на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P [2]

Снижение напряжения ограничения является далеко не единственным преимуществом комбинированной схемы. На рисунке 10б представлен отклик рассматриваемой схемы на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Пиковый ток в цепи тиристора при включении защиты составил 42,3 А, что значительно меньше, чем при использовании одиночного тиристора (278 А, рисунок 9). Более того, связка из варистора и тиристора отличается гораздо более низким током утечки по сравнению с одиночным варистором, а это позволяет значительно продлить срок службы варистора.

Рис. 10. Отклик схемы защиты на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]

Рис. 11. Схема защиты на базе тиристора и варистора с тепловой защитой [2]

Не стоит забывать, что тиристор имеет ограничение по пиковому току, и в ряде случаев в схеме требуется предусмотреть дополнительный предохранитель.

Расчет предохранителя для защиты тиристора от перегрузки по току

Исходя из логики работы схемы, предохранитель должен выдерживать суммарный ток сети и импульса 3 кА 8/20 мкс, но включаться до того как будет превышено допустимое для тиристора значение. В этом случае предохранитель будет разрывать цепь только в тех случаях, когда необходимо защитить тиристор. Выбор предохранителя удобнее всего делать с учетом величины I²t.

Рассмотрим конкретный пример выбора предохранителя для представленной выше комбинированной схемы (рисунок 9) [2].

Для импульса тока 3 кА 8/20 мкс величина I²t может быть оценена с использованием пиковых значений тока:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·3000·3000·20·10^-6 = 90 A²c.

Для составляющей тока сети:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·43·43·0,01 = 9,245 A²c.

Суммарное значение I²t: 90 A²c + 9,245 A²c = 99,245 A²c.

Далее необходимо учесть фактор снижения I²t при воздействии серии импульсов. Например, при воздействии 100 000 импульсов следует использовать коэффициент 0,22 (рисунок 12). Для защиты от перенапряжений обычно речь идет о десятках импульсов и коэффициенте 0,48.

Таким образом, для предохранителя рейтинг I²t должен быть больше, чем 99,245/0,22 = 451 A²c.

Рис. 12. Снижение I²t при воздействии серии импульсов

Для выбранного тиристора значение тока I_ТSM (50/60 Гц) составляет 400 А (таблица 3). Тогда максимальная величина I²t равна ½·400·400·0,01 = 800 A²c.

Очевидно, что расчетное значение I²t 451 A²c меньше, чему у выбранного тиристора (800 A²c). Таким образом выбор предохранителя из диапазона 451…800 A²c гарантирует защиту тиристора от перегрузки по току и отсутствие ложных срабатываний.

Для проверки выбора MOV необходимо вычислить энергию импульса. В нашем случае это (1/√2)·U·I·t = 0,71·250·3000·20·10^-6 + 0,71·250·43·0,007 = 10,65 + 53,43 = 64,08 Дж.

Для используемого варистора V20E130P допустимая энергия оказывается выше и составляет 100 Дж.

В итоге предохранитель с рейтингом 250 В AC и с I²t на уровне 451 A²c не будет влиять на работу схемы в штатном режиме, но защитит тиристор при возникновении помехи. Компания Littelfuse предлагает несколько моделей предохранителей, отвечающих предъявляемым требованиям (таблица 4).

Таблица 4. Модели предохранителей Littelfuse с рейтингом I²t более 451

Заключение

Использование тиристоров SIDACtor серий Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА производства компании Littelfuse является одним из эффективных способов защиты от мощных помех, возникающих в цепях переменного напряжения. Главными достоинствами этих компонентов являются минимальное напряжение в открытом состоянии, рекордно малое время включения, высочайшая стабильность напряжения включения и отличная временная стабильность.

Тиристоры SIDACtor вместе с дополнительными предохранителями позволяют выполнять защиту устройств от перенапряжений и перегрузок по току.

Комбинированная схема из варистора и тиристора оказывается более эффективной, чем традиционная варисторная защита. При использовании комбинированного решения удается снизить ток утечки, продлить жизнь варистора и получить более низкое напряжение ограничения.

Литература

1. Application Note: High Power Semiconductor Crowbar Protector for AC Power Line Applications. 2017, Littelfuse;
2. Electronics Circuit Protection. Product Selection Guide. 2013, Littelfuse;
3. Вячеслав Гавриков. Газоразрядники Littelfuse: там, где полупроводники бессильны. НЭ, №12, 2014;
4. Антон Стильве. Варистор варистору рознь: надежная защита от скачков напряжения. НЭ, №6, 2016;
5. Вячеслав Гавриков. Полупроводниковая защита: обзор основных серий TVS-диодов от Littelfuse. НЭ, №12, 2014;
6. http://www.littelfuse.com.

•••

Наши информационные каналы

% PDF-1.3 % 1 0 объект > поток конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > / Parent 3 0 R / Contents [20 0 R] / Type / Page / Resources> / Shading> / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Font >>> / MediaBox [0 0 595.g \ _o + -sO41’_sLZG8} htPcѭc | p @ 2 iLoNǀ [% 0] 6DpU = @ » v {, 7QU7io) iPl * Llɬ / e4`u) o. = Whhs | SYcvsμamFiAhOZ.: — fNT # ҝFԋ m ڷ 88 il? mt \ HR230 ֍ TK T0 | ح۬ nSeі4p / 5U!), yceZ-hDb, kU-˝: ٰ Y4_Ys = E ~ I,> 2

% PDF-1.3 % 1 0 объект > поток конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > / Родительский 2 0 R / Содержание [13 0 R] / Тип / Страница / Ресурсы> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Шрифт >>> / MediaBox [0 0 595.27563 841.88977] / BleedBox [0 0 595.27563 841.88977] / Аннотации [17 0 R 18 0 R 19 0 R] >> эндобдж 13 0 объект > поток x} K $ 板 D @ h-

Принцип, характеристики и основные параметры тиристора

Введение

Тиристор , широко известный как кремниевый управляемый выпрямитель ( SCR ), его нормативный термин — трехконтактный тиристор с обратной блокировкой. Тиристоры — это мощные полупроводниковые устройства, которые имеют функции переключения и выпрямления и используются в различных схемах, таких как регулируемое выпрямление и преобразование частоты, инверторы и бесконтактные переключатели.Пока он имеет сигнал запуска слабой точки, он может управлять сильным электрическим выходом. Таким образом, это мост для полупроводниковых устройств, чтобы войти в область сильного электричества из поля слабого электричества.

На сегодняшний день тиристоры являются наиболее широко используемыми полупроводниковыми приборами в электронной промышленности. Несмотря на непрерывное появление различных новых полупроводниковых материалов, 98% полупроводниковых материалов по-прежнему являются кремниевыми материалами, которые по-прежнему составляют основу промышленности интегральных схем.Он широко используется из-за своего небольшого размера, легкого веса, высокой мощности и длительного срока службы.

Введение в тиристоры: SCR

Каталог

Тиристор, также называемый кремниевым выпрямителем, является аббревиатурой от полупроводникового тиристора . Это сильноточное переключающее полупроводниковое устройство, в котором для управления используются малые токи.Обычно используются два типа: обычные тиристоры (также называемые однонаправленными тиристорами) и TRIAC (триод для переменного тока). Благодаря небольшому размеру, легкому весу, высокой эффективности, длительному сроку службы, вибростойкости, а также бесшумности и простоте использования, он за короткий период времени привлек большое внимание отечественных, зарубежных, промышленных и сельскохозяйственных производственных подразделений. широко используется в различном производственном оборудовании и бытовой технике. По принципу работы его можно условно разделить на четыре категории: f — Выпрямление: преобразование мощности переменного тока в регулируемую мощность постоянного тока.

— Инвертор: преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока определенной частоты.

— Переключатель постоянного тока: используется для переключения контура постоянного тока или регулирования напряжения постоянного тока.

— Переключатель переменного тока: используется для переключения контура переменного тока или регулирования напряжения переменного тока.

По объектам обслуживания может использоваться в промышленности, сельском хозяйстве, национальной обороне, транспорте, горнодобывающей промышленности, металлургии, легкой, химической промышленности и других отраслях.

По своим характеристикам тиристоры не только обладают однонаправленной проводимостью, но и обладают большей управляемостью, чем кремниевые выпрямительные элементы (обычно известные как «мертвый кремний»).У него всего два состояния: включено и выключено.
Тиристоры могут управлять мощным электромеханическим оборудованием с токами в миллиампер. Если частота превышает это значение, средний допустимый ток переключения будет уменьшаться из-за значительного увеличения коммутационных потерь компонентов. В это время номинальный ток должен быть снижен.
Тиристоры имеют много преимуществ, таких как: управление большой мощностью при малой мощности, кратное усиление мощности до нескольких сотен тысяч раз; чрезвычайно быстрый отклик, включение и выключение за микросекунды; бесконтактная работа, отсутствие искры, отсутствие шума; высокая эффективность, низкая стоимость и тд.
Недостатки тиристоров: низкая статическая и динамическая перегрузочная способность; легко ввести в заблуждение из-за помех.

Два типа тиристоров, однонаправленные тиристоры и трехконтактный TRIAC, кратко представлены ниже.

a. Однонаправленный тиристор

Внутренняя структура однонаправленного тиристора показана на рисунке 1 (а).Из рисунка 1 (а) видно, что однонаправленный тиристор состоит из четырех слоев полупроводников P ₁ N ₁ P ₂ N ₂ . Посередине расположены три PN-перехода: J ₁ , J ₂ и J ₃ . Анод A отводится от P ₁ , катод K отводится от N ₂ , а управляющий электрод (или затвор) G отводится от среднего P ₂ . Условное обозначение однонаправленного тиристора показано на рисунке 1 (b).

Рисунок 1. Принципиальная схема и условное обозначение однонаправленного тиристора

Чтобы понять принцип работы однонаправленного тиристора, однонаправленный тиристор можно эквивалентно рассматривать как комбинацию PNP-транзистора T ₁ и NPN-транзистора T ₂ . Средний уровень P ₂ и слой N ₁ используются двумя транзисторами. Анод A эквивалентен эмиттеру T ₁ , а катод K эквивалентен эмиттеру T ₂ , как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Принцип работы однонаправленного тиристора

Ключом к пониманию того, как работают однонаправленные тиристоры, является понимание роли управляющего электрода.

(1) На управляющий электрод не подается напряжение или обратное напряжение

Когда управляющий электрод остается плавающим или между управляющим электродом и катодом подается обратное напряжение, то есть U _GK <0, должно быть I _G = 0. Если между анодом и катодом приложено обратное напряжение, то есть U _AK ＜ 0.Из-за J и J ₂ , передающие переходы T ₁ , T ₂ оба смещены в обратном направлении, а T ₁ и T ₂ находятся в выключенном состоянии, в это время, ток, протекающий через однонаправленный тиристор, является только током обратного насыщения J ₁ и J ₃ , I _A ≈0, и однонаправленный тиристор находится в состоянии блокировки; если между анодом и катодом приложено прямое напряжение, то есть U _AK > 0, J ₂ находится в состоянии обратного смещения, потому что I _G = 0, T ₂ должен находиться в выключенное состояние.и ток в однонаправленном тиристоре только противоположен J ₂ . В это время ток в однонаправленном тиристоре равен току обратного насыщения J ₂ , I _A ≈0, а однонаправленный тиристор все еще находится в состоянии блокировки. Следовательно, когда на управляющий полюс не подается напряжение или подается обратное напряжение, I _G = 0, однонаправленный тиристор находится в состоянии блокировки и имеет возможность положительной и отрицательной блокировки.

(2) Подайте прямое напряжение на управляющий электрод

Когда между управляющим электродом и катодом приложено прямое напряжение, то есть U _GK > 0, эмиттерный переход J ₃ из T ₂ находится в прямом смещении, и I _G ≠ 0 . Если между анодом и катодом приложено обратное напряжение, то есть U _AK <0, поскольку эмиссионный переход J ₁ из T ₁ имеет обратное смещение, а T ₁ находится в выключенном состоянии, однонаправленный тиристор находится в состоянии блокировки, I _A ≈0; Если между анодом и катодом приложено прямое напряжение, то есть U _AK > 0, поскольку эмиссионные переходы J ₁ , J ₃ из T ₁ , T ₂ смещены в прямом направлении, а коллекторный переход J ₂ имеет обратное смещение, T ₁ , T ₂ будет в усиленном состоянии.После того, как I _G усиливается на T ₂ , ток коллектора T ₂ равен I _C2 = β ₂ I _G . Коллекторный ток T ₂ является базовым током T ₁ , после усиления T ₁ ток коллектора T ₁ равен I _C1 = β ₁ β ₂ I _Г . Этот ток течет в базу T ₂ для усиления, и в этом цикле образуется сильная положительная обратная связь, которая заставляет T ₁ , T ₂ быстро переходить в состояние насыщения, а однонаправленный тиристор находится в на гос.После включения однонаправленного тиристора, U _AK , значение напряжения между анодом и катодом очень мало, и напряжение внешнего источника питания почти полностью падает на нагрузке.

(3) Отключение однонаправленного тиристора

Из приведенного выше анализа видно, что после включения однонаправленного тиристора база T ₂ всегда имеет ток коллектора I _C1 из T ₁ , а значение I _C1 намного больше, чем I _G , применявшийся вначале.Таким образом, даже если напряжение управляющего электрода пропадает и I _G = 0, он все равно может полагаться на положительную обратную связь самой трубки для поддержания проводимости. Следовательно, при включении однонаправленного тиристора управляющий электрод теряет функцию управления. После включения однонаправленного тиристора, если вы хотите, чтобы он снова выключился, необходимо уменьшить анодный ток I _A , чтобы он не мог поддерживать положительную обратную связь. Для этого анод может быть отключен или между анодом и катодом может быть приложено обратное напряжение.

Подводя итог, при условии, что прямое напряжение приложено между анодом и катодом однонаправленного тиристора, если прямое напряжение добавлено между управляющим электродом и катодом в определенное время, однонаправленный тиристор изменится с состояние блокировки в состояние проводимости. Это запускается в проводимость. После включения однонаправленного тиристора управляющий электрод теряет функцию управления. Если вы хотите снова выключить однонаправленный тиристор, вы должны сделать его анодный ток меньше определенного значения I _H (называемого током удержания) или уменьшить напряжение U _AK между анодом и катодом до нуля.

г. TRIAC

TRIAC — это трехконтактный элемент с пятиуровневой структурой N ₁ P ₁ N ₂ P ₂ N ₃ . Он имеет три электрода: основной электрод A ₁ , основной электрод A ₂ и управляющий электрод (или затвор) G. Он также является переключателем управления затвором. Независимо от его конструкции или характеристик, его можно рассматривать как пару антипараллельных обычных тиристоров. Его конструкция, схема замещения и условные обозначения показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Символ, структура и эквивалентная схема TRIAC

Основные электроды A ₂ и A ₁ симистора включены последовательно с объектом управления (нагрузкой) RL, что эквивалентно бесконтактному переключателю. «Вкл» или «Выкл» этого переключателя контролируется сигналом u _G (называемым сигналом запуска) на управляющем электроде G. Когда есть напряжение (u ≠ 0) между основными электродами A ₂ и A ₁ , в момент появления триггерного сигнала u _G он будет проводящим между A ₂ и A ₁ TRIAC, что эквивалентно замкнутому состоянию переключателя.И как только он включен, даже если u _G исчезает, его можно держать включенным до тех пор, пока u = 0 или ток в последовательной цепи главного электрода и нагрузки не уменьшится до определенного значения, затем он отключается . После отключения это эквивалентно выключенному состоянию переключателя. Таким образом, сигнал малого тока на управляющем электроде может использоваться для управления большим током в цепи главного электрода.

Рисунок 4. Вольт-амперная характеристика TRIAC

Вообще говоря, независимо от полярности напряжения между двумя основными электродами A ₂ и A ₁ TRIAC, пока на управляющий электрод подается определенная амплитуда положительных и отрицательных импульсов, он может быть включен.Таким образом, i представляет ток в основном электроде, а u представляет собой напряжение между A ₂ и A ₁ . Функциональная взаимосвязь между ними (называемая кривой вольт-амперной характеристики) показана на рисунке 4. Из кривой видно, что симметричный резистор TRIAC имеет в основном одинаковые симметричные характеристики в первом и третьем квадранте.

В зависимости от напряжения u на главном электроде и полярности напряжения запускающего импульса u _G на управляющем электроде в сочетании с вольт-амперной характеристикой симистор можно разделить на четыре режима запуска, которые определяются как следует:

(1) Триггер I +: в первом квадранте характеристической кривой (A ₂ положительный) управляющий электрод является положительным триггером относительно A ₁ .

(2) I-trigger: В первом квадранте характеристической кривой (A ₂ положительный) управляющий электрод является отрицательным триггером относительно A ₁ .

(3) Ⅲ + триггер: в третьем квадранте характеристической кривой (A ₂ отрицательный) управляющий электрод является положительным триггером относительно A ₁ .

(4) Ⅲ-триггер: в третьем квадранте характеристической кривой (A ₂ отрицательный) управляющий электрод является отрицательным триггером относительно A ₁ .

Среди этих четырех режимов триггера I + и III- имеют более высокую чувствительность и являются двумя обычно используемыми режимами триггера.

В схеме управления нового типа электронагревательного электроприбора сигнал запуска, подаваемый на управляющий электрод TRIAC, выдается однокристальным микрокомпьютером или интегральной схемой. Некоторые выводят непрерывный положительный (или отрицательный) сигнал напряжения, а некоторые выводят серию триггерных импульсов перехода через ноль, синхронизированных с источником питания переменного тока с синусоидальной частотой 50 Гц.Первый называется потенциальным триггером, а второй — импульсным триггером. Их формы сигналов показаны на рисунках 5 и 6 соответственно.

Рисунок 5.

Рисунок 6.

Тиристор (также известный как полупроводник) управляемый выпрямитель) представляет собой мощный полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой (ПНПН).Он имеет три выводных электрода, а именно анод (A), катод (K) и затвор (G). Его условное изображение и поперечный разрез устройства показаны на рисунке 7.

Рис. 7. Изображение символов и поперечное сечение устройства

Обычные тиристоры двунаправленно рассеивают примеси P-типа (алюминий или бор) в кремниевой пластине N-типа с образованием структуры P ₁ N ₁ P ₂ , а затем диффундируют примеси N-типа (фосфор или сурьма) Чтобы сформировать катод в большинстве областей P ₂ , и в то же время вывести электрод затвора на P ₂ и сформировать омический контакт, сформированный в P ₁ в качестве анода.

Включенное и выключенное состояния тиристора определяются анодным напряжением, анодным током и током затвора. Кривые вольт-амперной характеристики обычно используются для описания взаимосвязи между ними, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Вольт-амперная характеристика тиристора

Когда тиристор V _AK подает прямое напряжение, J ₁ и J ₃ смещены в прямом направлении, а J ₂ смещены в обратном направлении.Приложенное напряжение почти падает на J ₂ , а J ₂ играет роль блокировки тока. С увеличением V _AK , пока V _AK BO , проходящий анодный ток I _A мал, поэтому эта область называется состоянием прямой блокировки. Когда V _AK превышает значение V _BO , анодный ток внезапно увеличивается, и он будет в состоянии низкого напряжения и высокого тока в момент, когда характеристическая кривая проходит через отрицательное сопротивление.Ток в открытом состоянии I _T , определяемый нагрузкой, протекает через тиристор, падение напряжения устройства составляет около 1 В, а состояние, соответствующее участку CD характеристической кривой, называется включенным состоянием. V _BO и соответствующий ему I _BO обычно называются напряжением прямого отключения и током отключения. После включения тиристор может сам поддерживать включенное состояние. Переход из включенного состояния в выключенное состояние обычно контролируется внешней схемой без использования стробирующего сигнала, то есть устройство может быть выключено только тогда, когда ток ниже определенного порогового значения, называемого током удержания I _H .

Когда тиристор находится в выключенном состоянии (V _AK BO ), если электрод затвора сделан положительным по отношению к катоду, а на электрод затвора подается ток I _G , тиристор будет переключение при более низком напряжении. Напряжение отключения V _BO и ток отключения I _BO являются функциями I _G . Чем больше I _G , тем меньше V _BO . Как показано на рисунке 3, после включения тиристора устройство включается, даже если сигнал затвора удален.

Когда анод тиристора отрицателен по отношению к катоду, пока V _AK BO , I _A мал и не имеет ничего общего с I _G . Однако при большом обратном напряжении (В _АК ≈ В _ВО ) ток обратной утечки через тиристор резко увеличивается, что свидетельствует о пробое тиристора. Следовательно, V _BO называется обратным напряжением отключения и током отключения.

Тиристор имеет 3 PN перехода, и характеристическую кривую можно разделить на (0 ~ 1) зону блокировки, (1 ~ 2) зону отключения, ( 2 ~ 3) область отрицательного сопротивления и (3 ~ 4) проводящая область.

а. вперед W orking A rea

— зона прямой блокировки (0 ~ 1)

Когда прямое напряжение приложено между AK, J ₁ и J ₃ несут прямое напряжение, тогда как J ₂ несет обратное напряжение, и приложенное напряжение почти полностью падает на J ₂ .J ₂ с обратным смещением блокирует ток, а тиристор в это время не проводит ток.

— Зона схода лавины (1 ~ 2 также называется зоной отрыва)

Когда приложенное напряжение возрастает близко к напряжению лавинного пробоя V _BJ2 из J ₂ , ширина области пространственного заряда обратносмещенного J ₂ увеличивается, и внутреннее электрическое поле значительно увеличивается, что усиливает эффект умножения.В результате ток через J ₂ внезапно увеличивается, и ток, протекающий через устройство, также увеличивается. В это время ток, проходящий через J ₂ , преобразуется из исходного обратного тока в ток, который в основном ослабляется J ₁ и J ₃ через базовую область и умножается в области пространственного заряда J _{. 2} . Это зона лавины, где напряжение увеличивается, а ток резко увеличивается. Таким образом, характеристическая кривая поворачивается в этой области, поэтому она называется областью отрыва.

— Площадь загрузки (2 ~ 3)

Когда приложенное напряжение больше, чем напряжение отключения, большое количество электронно-дырочных пар, образованных лавинообразным удвоением области пространственного заряда J ₂ , извлекается обратным электрическим полем. Электроны попадают в область N ₁ , а дырки входят в область P ₂ . Из-за невозможности быстрой рекомбинации происходит накопление носителей заряда по обе стороны от J ₂ : дырки в области P ₂ и электроны в области N ₁ , компенсируя заряд ионизированных примесей и сужая область пространственного заряда. .В результате потенциал в области P ₂ увеличивается, а потенциал в области N ₁ уменьшается, что компенсирует внешнее электрическое поле. По мере уменьшения приложенного напряжения на J ₂ эффект лавинного умножения также ослабевает. С другой стороны, прямое напряжение J ₁ и J ₃ было увеличено, а инжекция увеличилась, в результате чего ток через J ₂ увеличился, поэтому возникло явление отрицательного сопротивления, в котором ток увеличивается, а напряжение уменьшается.

— Низкое сопротивление в открытом состоянии (3 ~ 4)

Как упоминалось выше, эффект умножения вызывает накопление электронов и дырок по обе стороны от J ₂ , вызывая уменьшение напряжения обратного смещения J ₂ ; в то же время инжекция J ₁ и J ₃ усиливается, и цепь увеличивается, так что заряды продолжают накапливаться с обеих сторон J ₂ , а напряжение перехода продолжает уменьшаться.Когда напряжение падает до точки, где лавинообразное умножение прекращается и все напряжения на переходах отменяются, дырки и электроны по-прежнему накапливаются по обе стороны от J ₂ , и J ₂ становится смещенным в прямом направлении. В это время J ₁ , J ₂ и J ₃ все смещены в прямом направлении, и через устройство могут проходить большие токи, поскольку оно находится в открытом состоянии с низким сопротивлением. В полностью проводящем состоянии его вольт-амперная характеристика аналогична характеристике выпрямительного элемента.

г. Задний ход W orking A rea (0 ~ 5)

Когда устройство работает в обратном направлении, J ₁ и J ₃ имеют обратное смещение. Из-за очень низкого напряжения пробоя сильно легированного J ₃ , J ₁ выдерживает почти все приложенное напряжение. Вольт-амперная характеристика устройства представляет собой вольт-амперную характеристику диода обратного смещения. Следовательно, тиристор PNPN имеет область обратной блокировки, и когда напряжение увеличивается выше напряжения пробоя J ₁ , ток резко возрастает из-за эффекта лавинного умножения, при котором тиристор выходит из строя.

2,4 Характеристика E предложение T гиристор

Двухполюсное устройство четырехслойной структуры PNPN можно рассматривать как транзисторы P ₁ N ₁ P ₂ и N ₁ P ₂ N ₂ с коэффициентами усиления по току α ₁ и α ₂ соответственно, где J ₂ — общий коллекторный переход. Когда на устройство подается прямое напряжение, J ₁ с прямым смещением вводит отверстия и проходит через область N ₁ , чтобы достичь коллекторного перехода (J ₂ ).Дырочный ток α ₁ I _A ; в то время как J ₃ с прямым смещением инжектирует электроны и проходит через область P ₂ . Ток, переносимый к J ₂ , равен α ₂ I _K . Поскольку J ₂ находится в обратном направлении, ток через J ₂ также включает в себя собственный обратный ток насыщения, I _CO .

Ток через J ₂ является суммой трех вышеуказанных, то есть

(1)

Предполагая эффективность излучения γ ₁ = γ ₂ = 1, в соответствии с принципом непрерывности тока I _J2 = I _A = I _K , поэтому формула (1) принимает следующий вид:

(2)

Формула показывает, что когда прямое напряжение меньше, чем напряжение лавинного пробоя V _B из J ₂ , эффект умножения невелик, и ток инжекции также мал.Таким образом, α ₁ и α ₂ также очень малы, поэтому

(3)

Модель I _CO в то время также была небольшой. Следовательно, J ₁ и J ₃ имеют прямое смещение, поэтому увеличение V _AK может только увеличить обратное смещение J ₂ . Он не может сильно увеличить I _CO и I _A , поэтому устройство всегда находится в состоянии блокировки, и ток, протекающий через устройство, имеет тот же порядок величины, что и I _CO .Поэтому формула (3) называется условием блокировки.

Когда увеличение V _AK вызывает увеличение обратного смещения J ₂ и происходит лавинное умножение, предполагая, что коэффициент умножения M _n = M _p = M, тогда I _CO , α ₁ , а α ₂ увеличится в M раз, поэтому (2) становится

(4)

В это время знаменатель становится меньше, и I _A будет быстро увеличиваться с ростом V _AK , поэтому, когда

(5)

Достигнут установившийся предел лавины (V _AK = V _BO ), и ток будет стремиться к бесконечности, поэтому уравнение (5) называется условием прямого отключения.

«

Используя эту функцию, условия точки переключения выводятся из уравнения характеристической кривой (4). Поскольку α ₁ и α ₂ являются функциями тока, M является функцией V _J2 , которую можно аппроксимировать с помощью M (V _J2 ) = M (V _AK ), I _CO является константой и выводится по (4). Результат

(6)

Поскольку напряжение пробоя ниже напряжения пробоя, оно должно быть постоянным.Поскольку числитель также должен быть равен нулю и получить

(7)

Согласно определению коэффициента усиления постоянного напряжения транзистора,

(8)

Мы можем получить коэффициент усиления тока слабого сигнала

(9)

Используя формулу (9), формулу (7) можно изменить на

(10)

То есть в точке перехода произведение коэффициента умножения и суммы слабого сигнала равно 1.Пока структура PNPN удовлетворяет приведенной выше формуле, она имеет характеристики переключения, то есть ее можно переключать из выключенного состояния во включенное состояние.

Поскольку α изменяется с током I _E , когда I _A увеличивается, возрастают как α ₁ , так и α ₂ . Видно, что при большом токе вместо этого можно уменьшить значение M, удовлетворяющее (6). Это показывает, что I _A увеличивается, а V _AK соответственно уменьшается.

α — это и название функции тока, и функция напряжения коллекторного перехода.Когда ток увеличивается при постоянном α, соответствующее обратное смещение коллекторного перехода уменьшается. При большом токе

(11)

Согласно уравнению (2), J ₂ обеспечивает ток в открытом состоянии (I _CO <0). Следовательно, J ₂ должен быть смещен в прямом направлении, поэтому J ₁ , J ₂ и J ₃ все смещены в прямом направлении, и устройство является проводящим.

Выключенное состояние устройства переходит во включенное состояние.Суть в том, что соединение J ₂ должно быть изменено с обратного смещения на прямое. Условием для поворота J ₂ в прямом направлении является то, что дырки и электроны должны накапливаться в областях P ₂ и N ₁ соответственно. Условием накопления дырок в области P ₂ является то, что количество дырок α ₁ I _A , введенных J ₁ и собранных J ₂ в области P ₂ , превышает количество дырок, которые исчезают при рекомбинации с (1-α ₂ ) I _K , то есть

(12)

Так как I _A = I _K , получается α ₁ + α ₂ ＞ 1.Пока условия верны, накопление дырок в области P ₂ такое же, а условие накопления электронов в области

(13)

Таким образом,

(14)

Видно, что когда выполняется условие α ₁ + α ₂ ＞ 1, потенциал области P ₂ положительный, а потенциал области N ₁ отрицательный. J ₂ становится смещенным в прямом направлении, и устройство находится в проводящем состоянии, поэтому α ₁ + α ₂ 1 называется проводящим состоянием.

Рисунок 9. SCR (выпрямитель с кремниевым управлением), символ

Для правильного использования однонаправленного тиристора необходимо не только понять принцип его работы, но и освоить основные параметры.

(1) Прямое повторяющееся пиковое напряжение U ^FRM

При условии, что управляющий электрод отключен и однонаправленный тиристор находится в состоянии прямой блокировки, когда температура перехода однонаправленного тиристора является номинальным значением, это допускается 50 раз в секунду, а продолжительность не должна превышать 10 мс. .Прямое пиковое напряжение, которое может многократно подаваться на однонаправленный тиристор, называется прямым повторяющимся пиковым напряжением, которое выражается U ^FRM . Обычно вторичное напряжение составляет 80% от напряжения прямого переключения.

(2) Повторяющееся обратное пиковое напряжение U ^RRM

В тех же условиях, что и прямое повторяющееся пиковое напряжение, обратное пиковое напряжение, которое может многократно подаваться на однонаправленный тиристор, называется обратным повторяющимся пиковым напряжением, которое выражается U ^RRM и обычно составляет 80% от обратного переключения. Напряжение.

(3) Номинальное напряжение U ^N

Обычно меньшее из U ^FRM и U ^RRM используется в качестве номинального напряжения однонаправленного тиристора. Это связано с тем, что на практике добавляемое к лампе напряжение обычно является положительным и отрицательным симметричным напряжением, поэтому напряжение с меньшим значением должно преобладать. Но поскольку переходное перенапряжение также повредит трубку, при выборе трубки по соображениям безопасности номинальное напряжение трубки должно быть более чем в 2–3 раза больше фактического пикового напряжения.

(4) Номинальный прямой средний ток I ^F

Среднее значение синусоидального полуволны промышленной частоты, которое может пройти через однонаправленный тиристор при температуре окружающей среды 40 ° C и заданных условиях рассеивания тепла, называется номинальным прямым средним током I ^F . Обычно мы говорим, сколько ампер однонаправленных тиристоров относится к этому значению тока. Количество I ^F зависит от таких факторов, как температура окружающей среды, условия рассеивания тепла и угол проводимости компонента.Номинальный ток однонаправленного тиристора калибруется по среднему синусоидальному полуволновому току промышленной частоты при определенных условиях. Это связано с тем, что нагрузка, подключенная к выходу выпрямителя, часто требует среднего тока для измерения ее характеристик. Однако с точки зрения однонаправленного нагрева тиристора, независимо от формы волны тока, протекающего через однонаправленный тиристор, и угла проводимости однонаправленного тиристора, если эффективное значение расчетного тока равно действующему значению номинального тока. I ^F , то нагрев однонаправленного тиристора равнозначен и разрешен.

(5) Ток удержания I ^H

При комнатной температуре, в условиях короткого замыкания управляющего электрода, минимальный анодный ток, необходимый для поддержания однонаправленного тиристора для продолжения проводимости, называется током удержания I ^H . Если анодный ток однонаправленного тиристора меньше этого значения, однонаправленный тиристор перейдет из проводящего состояния в состояние блокировки.

(6) Напряжение срабатывания управляющего электрода U ^GK и ток срабатывания I ^G

При комнатной температуре, при условии, что напряжение между анодом и катодом однонаправленного тиристора составляет 6 В, минимальное значение постоянного тока управляющего электрода, необходимое для перевода однонаправленного тиристора из состояния блокировки в состояние проводимости, называется триггером. ток I ^G .Напряжение постоянного тока U ^GK между управляющим электродом и катодом, соответствующее току запуска I ^G , называется напряжением запуска. Как правило, U ^GK составляет от 1 до 5 В, а I ^G — от десятков до сотен мА.

В различных схемах управления TRIAC является относительно легко повреждаемым компонентом. Как только будет обнаружено, что TRIAC поврежден, вам просто нужно заменить TRIAC с такими же параметрами.Существует множество характерных параметров TRIAC, и следующие основные параметры, которые следует учитывать при техническом обслуживании.

— Повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии, номинальное напряжение В ^DRM

Когда управляющий электрод отключен и компонент имеет номинальную температуру перехода, напряжение, соответствующее точке резкого изгиба прямой и обратной вольт-амперных характеристик, называется неповторяющимся пиковым напряжением в закрытом состоянии. 80% его называется повторяющимся пиковым напряжением в закрытом состоянии.Его также называют номинальным напряжением, которое выражается V ^DRM .

Когда TRIAC работает, пиковое значение приложенного напряжения на мгновение превышает обратное неповторяющееся пиковое напряжение, что может вызвать необратимое повреждение TRIAC. Более того, из-за повышения температуры окружающей среды или плохого рассеивания тепла обратное неповторяющееся пиковое значение напряжения может уменьшаться. Следовательно, когда выбран симистор, его номинальное значение напряжения должно в 2-3 раза превышать возможное максимальное напряжение при реальной работе.Если напряжение источника питания составляет 220 В, следует выбрать симистор с номинальным напряжением выше 500 В, чтобы выбранные компоненты могли выдерживать импульсное напряжение.

— Номинальный средний ток в рабочем состоянии — номинальный ток I ^{T (AV)}

При определенных условиях максимальный средний ток в открытом состоянии, допустимый при включенном TRIAC, называется номинальным средним током в открытом состоянии. Согласно стандартной серии TRIAC, этот ток приводится к соответствующему уровню тока, который для краткости часто называют номинальным током и обозначается I ^{T (AV)} .

Поскольку токовая перегрузочная способность TRIAC намного меньше, чем у обычных двигателей и электроприборов, номинальный ток TRIAC должен быть в 1,5–2 раза больше максимального тока при фактической работе при выборе.

— Ток срабатывания затвора I ^GT (напряжение U ^GT )

Это относится к минимальному значению тока (напряжения) триггерного сигнала, которое может обеспечить надежную проводимость симистора и добавить к управляющему электроду. Если ток (напряжение) триггера, полученный управляющим электродом TRIAC, меньше указанного количества раз, TRIAC не может быть включен.

— Среднее напряжение в рабочем состоянии U ^{T (AV)}

Когда TRIAC включен, он эквивалентен замкнутому переключателю. Поскольку TRIAC подключен последовательно с нагрузкой, чем меньше напряжение между двумя основными электродами, тем лучше. После включения TRIAC среднее значение напряжения между двумя основными электродами называется средним напряжением в рабочем состоянии, которое обычно называют падением напряжения на лампе. Если падение давления в трубке TRIAC слишком велико, двигатели и электромагнитные клапаны, которыми он управляет, могут не работать должным образом, потому что они не могут получить полное напряжение.

— Ток удержания

Когда управляющий электрод отключен при комнатной температуре, TRIAC уменьшается с большого тока в открытом состоянии до минимального тока основного электрода, который необходим только для поддержания проводимости, который называется током удержания. TRIAC выключается только тогда, когда ток основного электрода уменьшается ниже тока удержания.

Ⅳ Основная функция тиристора

Тиристоры выполняют следующие функции: во-первых, выпрямление преобразователя; во-вторых, регулирование напряжения; в-третьих, преобразование частоты; в-четвертых, выключатель (бесконтактный выключатель).Основное применение обычных тиристоров — это управляемое выпрямление. Схема диодного выпрямителя, с которой мы знакомы, представляет собой неуправляемую схему выпрямителя. Если диод заменить тиристором, он может составлять управляемую схему выпрямителя, инвертор, бесконтактный переключатель, обеспечивать управление скоростью двигателя, возбуждение двигателя, автоматическое управление и так далее. В электротехнике полупериод переменного тока часто определяется как 180 °, что называется электрическим углом. Таким образом, в каждом положительном полупериоде U2 электрический угол, испытываемый от начала нулевого значения до момента, когда приходит импульс запуска, называется углом управления α; электрический угол, под которым тиристор проводит ток в каждом положительном полупериоде, называется углом проводимости θ.Очевидно, что и α, и θ используются для обозначения диапазона включения или выключения тиристора в течение полупериода прямого напряжения. Управляемое выпрямление достигается путем изменения угла управления α или угла проводимости θ и изменения среднего значения UL импульсного напряжения постоянного тока на нагрузке. Функция тиристора — это не только выпрямление, его также можно использовать в качестве бесконтактного переключателя для быстрого включения или выключения цепи, для создания инвертора, который преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока, для изменения мощности переменного тока одной частоты на Электропитание переменного тока другой частоты и т. Д.Эта статья в основном знакомит с основным принципом, характеристиками и основными параметрами тиристоров.

Часто задаваемые вопросы о тиристорах (SCR)

1. Каковы характеристики SCR?
Характеристики тиристора или характеристики SCR
Режим обратной блокировки тиристора. Первоначально для режима обратной блокировки тиристора катод становится положительным по отношению к аноду путем подачи напряжения E, а напряжение питания Es затвор-катод сначала отсоединяется, удерживая переключатель S в разомкнутом состоянии.
Режим прямой блокировки
Режим прямой проводимости

2. Почему SCR называется тиристорным?
Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) — это однонаправленное полупроводниковое устройство, изготовленное из кремния. Это устройство является твердотельным эквивалентом тиратрона и, следовательно, его также называют тиристорным или тироидным транзистором.

3. Являются ли тиристор и тиристор одинаковыми?
Тиристор — это 4-х слойное устройство, образованное чередующейся комбинацией полупроводниковых материалов p- и n-типа.Это устройство, используемое для выпрямления и переключения. SCR — наиболее часто используемый член семейства тиристоров, и это название обычно используется, когда мы говорим о тиристорах.

4. Для чего нужен тиристор? Тиристоры
в основном используются там, где используются высокие токи и напряжения, и часто используются для управления переменными токами, когда изменение полярности тока вызывает автоматическое отключение устройства, что называется операцией «перехода через ноль».

5.Как работает тиристор SCR?
Так как это работает? Когда ток не течет в затвор, тиристор выключен, и ток не течет между анодом и катодом. Когда ток течет в затвор, он фактически течет на базу (вход) нижнего (n-p-n) транзистора, включая его.

Альтернативные модели

Характеристики переключения тиристора — Примечания по проектированию

Характеристики переключения тиристора: Тиристор подвергается воздействию различных напряжений или токов во время процессов включения и выключения.Из-за изменения приложенного напряжения и тока мы получаем переключающуюся или динамическую или выключенную характеристику тиристора. Для надежного и экономичного проектирования схем преобразователей, содержащих тиристор, исследование коммутационных характеристик тиристора имеет жизненно важное значение.

Здесь мы обсудим коммутационные или двухпозиционные характеристики тиристора в двух разделах. В первую очередь речь пойдет о характеристиках переключения тиристоров при включении, а затем при выключении.

Характеристики переключения тиристора при включении

Для запуска тиристора или для того, чтобы тиристор работал в кондуктивном режиме, существуют различные методы. Одним из методов запуска тиристора является запуск затвора, при котором тиристор с прямым смещением заставляют работать в режиме прямой проводимости, прикладывая положительное напряжение затвора к клемме затвора и катоду.

При срабатывании тиристора существует определенная задержка по времени между переходом из режима прямой блокировки в режим прямой проводимости.Возникшая задержка называется временем включения тиристора.

Рисунок (a): Характеристики переключения формы сигнала тиристора

Для обсуждения характеристик переключения тиристора во время включения время включения дополнительно делится на время задержки (t _d ), время нарастания (t _r ) и время расширения (t _p ).

1. Время задержки (t

Току затвора требуется время, чтобы достичь 0,9-кратного значения I _g с момента подачи тока затвора.Конечное значение тока затвора — Ig.

Другими словами, это время, за которое анодный ток достигает 0,1-кратного значения I _a . Здесь I _a — окончательное значение анодного тока.

Кроме того, время задержки (t _d ) — это время, за которое анодное напряжение упадет с V _o до 0,9 V _a , где V _a — начальное значение анодного напряжения.

Это также может быть определено в терминах перенаправления тока утечки для увеличения от прямого тока утечки до 0.1 раз I _a .

Из рисунка (а) видно, что тиристор изначально находится в режиме блокировки пересылки, когда анодное напряжение равно 0 А, а анодный ток представляет собой прямой ток утечки, который очень мал.

Начало процесса включения определяется ростом анодного тока и падением анодного напряжения. Время задержки (t _d ) можно уменьшить либо путем приложения большого тока затвора, либо большего прямого напряжения на аноде и катоде.Эта временная задержка составляет несколько микросекунд (мкс).

2. Время нарастания (t

Время нарастания — это продолжительность, в течение которой анодный ток повышается с 0,1 I _a до 0,9 I _a. I _a — окончательное значение анодного тока.

В качестве альтернативы, это время, в течение которого напряжение прямой блокировки или анодное напряжение падает с 0,9 В _a до 0,1 В _a , а V _a является начальным значением (OA на рисунке a) анодного напряжения.

Время нарастания может быть уменьшено путем приложения большого количества тока затвора, поскольку оно обратно пропорционально величине и скорости нарастания тока затвора.

Кроме того, применение крутого импульса тока затвора к выводу затвора SCR уменьшает время нарастания.

Характер анодной цепи в основном определяет время нарастания.

В условиях последовательной цепи RL индуктивный эффект вызывает медленную скорость нарастания тока (di / dt), а время задержки (t _r ) больше для такой цепи.Однако для последовательной цепи RC скорость нарастания тока высока и, следовательно, t _r меньше.

В этот период мощность высокая, что можно увидеть на рисунке а. Это связано с более высоким значением как V _a , так и I _a в течение этого периода.

3. Время распространения (t

Продолжительность времени, в течение которого анодный ток возрастает с 0,9I _a до I _a или напряжение на аноде падает с 0,1 В _a до падения напряжения в открытом состоянии.Падение напряжения в открытом состоянии составляет от 1 до 5 В. Время распространения зависит от конструкции затвора и площади катода.

Характеристики переключения тиристора при выключении

Выключение тиристора указывает на изменение рабочего состояния тиристора из режима прямого проводника в режим прямой блокировки или, простыми словами, из включенного состояния в выключенное. Когда тиристор возвращается в выключенное состояние, он должен быть способен блокировать прямое напряжение.

Процесс выключения

Процесс выключения также называется процессом коммутации и представляет собой процесс перевода тиристора из режима прямой проводимости в режим блокировки передачи.

Выключение тиристора возможно только в том случае, если анодный ток снижен ниже тока удержания.

В момент, когда анодный ток доведен до нуля и существует прямое напряжение на тиристоре, тиристор переходит в режим проводимости, хотя ток затвора не подается. Поскольку в этот момент SCR не сможет блокировать прямое напряжение, поскольку четыре слоя SCR все еще находятся в благоприятном состоянии для проведения тока.

Чтобы выключить тиристор и исключить такую ​​ситуацию, на тиристор необходимо в течение некоторого времени после того, как анодный ток достиг нуля, на тиристор должно подаваться обратное смещенное напряжение.

Время выключения (t

Продолжительность времени от момента, когда анодный ток падает до нуля, и до момента, когда тиристор восстанавливает свою способность прямой блокировки, называется временем выключения (t _q ).

Время выключения может быть дополнительно изучено по двум классификациям: время обратного восстановления (t _rr ) и время восстановления затвора (t _gr ) .

Во время периода выключения избыточные носители из четырех слоев тиристоров удаляются, так что он восстанавливает свою способность прямого блокирования.

1. Время обратного восстановления (t

Из рисунка видно, что время восстановления t _rr делится на моменты t ₁ , t _2, и t ₃ .

В момент t ₁ анодный ток равен нулю и начинает нарастать в отрицательном направлении с крутизной, такой же, как во время процесса коммутации. Ток обратного восстановления, протекающий после t ₁ , возникает из-за вытеснения носителей из верхнего p-слоя и нижнего n-слоя SCR.Этот ток обратного восстановления отвечает за удаление носителей заряда из переходов J ₁ и J ₃ .

В момент t ₂ около 60% носителей уносятся из J ₁ и J ₃ , и плотность носителей начинает уменьшаться, в результате чего ток начинает спадать.

Спад тока обратного восстановления вызывает скачок напряжения на тиристоре, который может повредить его. Следовательно, для защиты используется демпферная цепь.

В течение временного интервала от t ₁ до t ₃ , то есть времени обратного восстановления (t _rr ), избыточные носители переходов J ₁ и J ₃ удаляются. Однако носители заряда по-прежнему остаются в ловушке вокруг перехода J ₂ , которые удаляются в течение интервала времени восстановления затвора (t _gr ).

2. Время восстановления ворот (t

Вокруг перехода (J ₂ ) находятся захваченные носители заряда.Этот переход находится во внутреннем слое тиристора, и носители не могут вытекать во внешнюю цепь, и эти дополнительные носители заряда должны быть удалены в процессе рекомбинации.

Промежуток времени между t ₃ и t ₄ , в течение которого дополнительные носители заряда вокруг J ₂ рекомбинируют, известен как время восстановления затвора (t _gr ).

Общее время выключения тиристора составляет от 3 до 100 мкс. Тиристоры классифицируются по времени выключения на тиристоры инверторного и преобразовательного типа.

Однофазный полупреобразователь

SCR инверторного класса имеет время выключения (t _q ) от 3 до 50 мкс, а SCR преобразователя имеет время выключения (t _q ) от 50 до 100 мкс.

Фактически, тиристоры являются частью схемы силовой электроники или силовой цепи. Время выключения (t _q ) применимо только к одному SCR, но в реальной силовой цепи время выключения (t _q ) обеспечивается временем выключения схемы (t _c ).

Время выключения схемы (t _c ) больше, чем время выключения (t _q ) для правильной коммутации, в противном случае мы можем столкнуться с коммутацией отказа.

то есть t _c > t _q .

ИНЖЕНЕРНЫЕ ЗАМЕТКИ В ИНТЕРНЕТЕ

Транзистор как усилитель | Инженерные заметки онлайн

КЛИМАТ И ЭНЕРГЕТИКА

Работа типового фотоэлектрического элемента

Тиристоры со шпильками средней мощности 50 А с фазовым регулированием

Компании начинают осознавать потенциал новых рынков и возможности получения доходов от переработки, поскольку они исследуют более комплексную модель «кремний для обслуживания», которая охватывает центр обработки данных и мобильную периферию.В частности, с сокращением ASP (средние цены продажи) и все более непомерно высокими затратами на проектирование на все более низких узлах многие компании ищут новые источники дохода в широком диапазоне вертикалей, включая Интернет вещей (IoT).

Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% ежегодно до 2020 года, безопасность в настоящее время воспринимается как серьезная возможность, так и серьезная проблема для полупроводниковой промышленности.

Помимо услуг, концепция оборудования с открытым исходным кодом (OSH) и создание микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты, поскольку компании стремятся сократить расходы и сократить время вывода на рынок гетерогенных конструкций.

Конкретные стратегии раскрытия всего потенциала кремния и услуг, несомненно, будут различаться, поэтому для нас важно исследовать будущее, в котором полупроводниковые компании, а также различные отрасли, организации и правительственные учреждения будут играть открытую и совместную роль в помогая устойчиво монетизировать как микросхемы, так и услуги.

В 2016 и 2017 годах продолжались быстрые приобретения и консолидация отрасли:

• Компания Analog Devices приобрела Linear Technology
• Infineon приобрела International Rectifier
• Компания ROHM приобрела Powervation
.
• Renesas приобрела Intersil

Крупные производители полупроводников позиционируют себя, чтобы лучше конкурировать в различных сферах деятельности, включая облачные вычисления, искусственный интеллект (ИИ) и беспилотные автомобили.Согласно KPMG, многие компании все чаще рассматривают слияния и поглощения (M&A) как единственный способ стимулировать рост реальной выручки, делая новый акцент на вопросе «производить или покупать», при этом многие выбирают ответ «покупать».

В то же время расходы на разработку микросхем продолжали расти и существенно влияли на количество разработок в усовершенствованных узлах. В частности, общее количество запусков SoC с расширенной производительностью многоядерных процессоров в первый раз практически не изменилось и выросло лишь незначительно за последние пять лет.Хотя цены на дизайн неуклонно растут с 40 нм, аналитиков больше всего беспокоит увеличение стоимости дизайна на 7 и 5 нм.

Рич Вавжиняк, старший аналитик Semico Research, подтверждает, что начало проектирования, превышающее 10 нм, будет сдерживаться ростом затрат на разработку. Хотя общее количество проектов, которые переносятся на новые узлы, может не сильно отличаться от предыдущих обновлений геометрии процесса, Вавжиняк говорит, что сроки для таких переходов большинством компаний будут более продолжительными.

Совершенно очевидно, что необходимы новые модели как для НИОКР, так и для доходов, поскольку усиление консолидации отрасли и ослабление АСП в долгосрочной перспективе невозможно. Именно поэтому отрасль стремится к Интернету вещей, чтобы создать дополнительные потоки доходов, и аналитики McKinsey Global Institute (MGI) оценивают, что IoT может иметь ежегодный экономический эффект от 3,9 до 11,1 триллиона долларов к 2025 году по нескольким вертикалям. Однако с учетом того, что количество установок Интернета вещей, как ожидается, будет увеличиваться примерно на 15–20% ежегодно до 2020 года, безопасность считается как серьезной возможностью, так и проблемой для полупроводниковых компаний.

Таким образом, MGI рекомендует создавать решения безопасности, которые позволяют компаниям, производящим полупроводники, расширяться в смежные области бизнеса и разрабатывать новые бизнес-модели. Например, компании могут помочь в создании предложений по комплексной безопасности, которые необходимы для успеха Интернета вещей. В идеале, по мнению MGI, отрасль должна играть ведущую роль при разработке таких предложений, чтобы гарантировать, что они получат свою справедливую долю в цепочке создания стоимости.

С нашей точки зрения, решения для сквозной безопасности Интернета вещей, развернутые как платформа как услуга (PaaS), имеют решающее значение для оказания помощи полупроводниковым компаниям в получении возобновляемых доходов от реализации конкретных услуг.Для клиентов PaaS предлагает простой способ безопасной разработки, запуска и управления приложениями и устройствами без сложностей, связанных с построением и обслуживанием сложной инфраструктуры.

Такие решения безопасности, которые также могут использовать аппаратный корень доверия, должны поддерживать идентификацию устройства и взаимную аутентификацию (проверку), стандартные проверки аттестации, безопасные обновления устройств по беспроводной сети (OTA), аварийное восстановление и ключ управление, а также вывод из эксплуатации и переназначение ключей для лучшего управления устройствами и смягчения различных атак, включая распределенный отказ в обслуживании (DDoS).

Умные города

Недоступные микросхемы — такие как микросхемы, встроенные в инфраструктуру интеллектуального города Интернета вещей — могут предложить полупроводниковым компаниям возможность реализовать долгосрочную модель PaaS «кремний для обслуживания». В самом деле, инфраструктура будущего умного города почти наверняка будет спроектирована с использованием микросхем в труднодоступных местах, включая подземные водопроводные трубы, воздуховоды для кондиционирования воздуха, а также под улицами и на парковках.

Интеллектуальное уличное освещение, отзывчивые вывески и маячки Bluetooth нового поколения также требуют перспективных решений, чтобы избежать постоянного физического обслуживания и обновлений.Следовательно, микросхема, обеспечивающая питание инфраструктуры умного города, должна поддерживать безопасную конфигурацию функций в полевых условиях, а также различные услуги на основе PaaS, такие как расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное проактивное взаимодействие с клиентами.

Умные дома

Прогнозируется, что к 2020 году глобальный рынок умного дома достигнет стоимости не менее 40 миллиардов долларов. По данным Markets and Markets, рост пространства умного дома можно объяснить множеством факторов, в том числе значительными достижениями в секторе Интернета вещей; возрастающие требования к удобству, безопасности и защищенности потребителей; более выраженная потребность в энергосберегающих решениях с низким уровнем выбросов углерода.Однако, как мы уже обсуждали ранее, крайне важно обеспечить реализацию безопасности Интернета вещей на этапе проектирования продукта, чтобы предотвратить использование злоумышленниками устройств умного дома и прерывание обслуживания.

В дополнение к потенциально прибыльным возможностям кибербезопасности для полупроводниковых компаний, устройства умного дома обещают создать повторяющиеся потоки доходов для поддержки устойчивой модели «кремний для обслуживания». В качестве примера Кристопер Дин из MarketingInsider выделяет популярные устройства Echo от Amazon.Поскольку уже продано не менее 15 миллионов Echo, пользователи Echo, скорее всего, станут активными потребителями Amazon, используя устройство для отслеживания списков желаний и поиска товаров, которые им впоследствии предлагается купить. Между тем, Nest использует данные термостата в качестве платформы для предложения услуг по управлению энергопотреблением коммунальным компаниям в Соединенных Штатах, при этом компании платят за значимую и действенную информацию о клиентах по подписке.

Автомобильная промышленность

По данным IC Insights, в период с 2016 по 2021 год продажи микросхем для автомобильных систем и Интернета вещей будут расти на 70% быстрее, чем общие доходы от IC.В частности, продажи интегральных схем для автомобилей и других транспортных средств, по прогнозам, вырастут с 22,9 млрд долларов в 2016 году до 42,9 млрд долларов в 2021 году, а доходы от функциональности Интернета вещей увеличатся с 18,4 млрд долларов в 2016 году до 34,2 млрд долларов в 2021 году.

Прогнозируемый рост продаж автомобильных микросхем неудивителен, поскольку современные автомобили по сути представляют собой сеть сетей, оснащенных рядом встроенных методов и возможностей связи. Однако это означает, что автомобили теперь более уязвимы для кибератак, чем когда-либо прежде.

Потенциальные уязвимости системы безопасности включают незащищенную связь между транспортными средствами, несанкционированный сбор информации о водителе или пассажирах, захват контроля над критически важными системами, такими как тормоза или акселераторы, перехват данных транспортного средства, вмешательство в работу сторонних ключей и изменение избыточного кода. обновления прошивки по воздуху (OTA). Что касается последнего, производители автомобилей сейчас сосредоточены на предоставлении безопасных обновлений OTA для различных систем, при этом глобальный рынок автомобильных обновлений OTA, по прогнозам, будет расти со среднегодовым темпом роста 18.2% с 2017 по 2022 год и достигнет 3,89 миллиарда долларов к 2022 году.

Производители автомобилей также работают над тем, чтобы в цепочке поставок транспортных средств не было украденных и контрафактных компонентов. Тем не менее, широкий спектр устройств с серого рынка все еще можно найти для питания дорогостоящих модулей, таких как бортовые информационно-развлекательные системы и фары, а также в критически важных системах безопасности, включая модули подушек безопасности, тормозные модули и органы управления трансмиссией. Таким образом, защита периферийных устройств и компонентов транспортных средств от несанкционированного доступа путем внедрения ряда многоуровневых аппаратных и программных решений безопасности стала приоритетной задачей для ряда производителей автомобилей.

Помимо внедрения многоуровневых решений безопасности, полупроводниковая промышленность явно выиграет от внедрения подхода IoT «как услуга» в автомобильном секторе. Например, компании могут развернуть сенсорные автомобильные системы, которые заблаговременно обнаруживают потенциальные проблемы и неисправности. Это решение, которое в своей наиболее оптимальной конфигурации сочетало бы в себе микросхемы и услуги, могло быть продано как аппаратный и программный продукт или развернуто как услуга с ежемесячной или ежегодной абонентской платой.

Медицина и здравоохранение

Имплантированные медицинские устройства с длительным сроком службы, несомненно, потребуют от полупроводниковой промышленности высокой степени готовности к будущему, чтобы избежать частых физических обновлений и технического обслуживания. Шрихари Яманур, специалист по дизайну в области исследований и разработок в Stellartech Research Corp., отмечает, что медицинские устройства в конечном итоге будут адаптированы для удовлетворения потребностей отдельных пациентов, что расширит применение точной медицины.

Кроме того, ожидается, что отрасль медицинского страхования будет использовать машинное обучение для оптимизации и снижения стоимости медицинского обслуживания, в то время как цифровые медицинские устройства также будут использоваться страховой отраслью для выявления пациентов из группы риска и оказания помощи.Поэтому медицинские устройства, особенно имплантируемые модели, должны быть спроектированы таким образом, чтобы поддерживать «модель перехода от кремния к услугам» через конфигурацию функций в полевых условиях и безопасные обновления OTA, а также услуги на основе PaaS, включая сбор и анализ соответствующих данных; проактивное обслуживание, продвинутые алгоритмы; и интуитивно понятный интерфейс как для пациентов, так и для врачей.

Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом и дезагрегированные чиплеты

Наряду с услугами, оборудование с открытым исходным кодом, предлагаемое такими организациями и компаниями, как RISC-V и SiFive, начало положительно влиять на индустрию полупроводников, поощряя инновации, сокращая затраты на разработку и ускоряя время вывода продукта на рынок.

Успех программного обеспечения с открытым исходным кодом — в отличие от закрытого, огороженного сада — продолжает создавать важный прецедент для полупроводниковой промышленности. Столкнувшись с чрезмерно высокими затратами на разработку, ряд компаний предпочитают избегать ненужных сборщиков дорожных сборов, уделяя больше внимания архитектуре с открытым исходным кодом, поскольку они работают над созданием новых потоков доходов, ориентированных на услуги.

Помимо аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом, концепция построения кремния из предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты, поскольку полупроводниковая промышленность движется к снижению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.По словам Энн Стефора Мутшлер из Semiconductor Engineering, концепция чиплета уже некоторое время находится в стадии разработки, хотя исторически она воспринималась как потенциальное направление будущего, а не реальное решение в тени убывающего закона Мура. Это восприятие начинает меняться по мере увеличения сложности конструкции, особенно в усовершенствованных узлах (10/7 нм), а также по мере объединения новых рынков, требующих частично настраиваемых решений.

Концепция предварительно проверенных чиплетов вызвала интерес U.Агентство перспективных исследовательских проектов S. Defense (DARPA), которое недавно развернуло свою программу Общей гетерогенной интеграции и стратегий повторного использования IP (CHIPS). В сотрудничестве с полупроводниковой промышленностью успешная реализация CHIPS позволила бы увидеть ряд IP-блоков, подсистем и микросхем, объединенных на переходнике в корпусе, подобном 2.5D.

Инициатива CHIPS заняла центральное место в августе 2017 года, когда участники из военного, коммерческого и академического секторов собрались в штаб-квартире DARPA на официальном стартовом совещании по программе Агентства по стратегии общей гетерогенной интеграции и повторного использования интеллектуальной собственности (ИС).

Как сообщил на конференции д-р Дэниел Грин из DARPA, программа направлена ​​на разработку новой технологической структуры, в которой различные функции и блоки интеллектуальной собственности, в том числе хранение данных, вычисления, обработка сигналов, а также управление формой и потоком данных — можно разделить на небольшие чиплеты. Затем их можно смешивать, сопоставлять и комбинировать на промежуточном элементе, что-то вроде соединения частей головоломки. Фактически, говорит Грин, вся обычная печатная плата с множеством различных, но полноразмерных микросхем в конечном итоге может быть уменьшена до гораздо меньшего промежуточного устройства, содержащего кучу, но гораздо меньших микросхем.

Согласно DARPA, конкретные технологии, которые могут появиться в результате инициативы CHIPS, включают компактную замену целых печатных плат, сверхширокополосные радиочастотные (РЧ) системы и системы быстрого обучения для извлечения интересной и действенной информации из гораздо больших объемов обычных данных. .

Возможно, неудивительно, что полупроводниковая промышленность уже рассматривает дезагрегированный подход в виде микросхем SerDes и специализированных маломощных интерфейсов «кристалл-кристалл» для конкретных приложений.Безусловно, жизнеспособное разделение кремниевых компонентов может быть достигнуто путем перемещения высокоскоростных интерфейсов, таких как SerDes, на отдельные кристаллы в виде микросхем SerDes, смещения IP аналогового датчика на отдельные аналоговые микросхемы и реализации перехода кристалла с очень низким энергопотреблением и малой задержкой. die интерфейсы через MCM или через переходник с использованием технологии 2.5D.

Помимо использования заведомо исправной матрицы для SerDes в более зрелых узлах (N-1) или наоборот, ожидается, что дезагрегация упростит создание нескольких SKU при оптимизации затрат и снижении риска.Точнее, дезагрегирование приведет к разбивке SoC на более высокопроизводительные и меньшие матрицы и позволит компаниям создавать определенные конструкции с несколькими вариантами. Действительно, интерфейсы «от кристалла к кристаллу» могут более легко адаптироваться к различным приложениям, связанным с памятью, логикой и аналоговыми технологиями. Кроме того, для интерфейсов «от кристалла к кристаллу» не требуется согласованной скорости линии / передачи и количества дорожек, в то время как FEC может потребоваться или не потребоваться в зависимости от требований к задержке.

Следует отметить, что несколько компаний активно занимаются агрегацией SoC / ASIC для коммутаторов и других систем.Точно так же полупроводниковая промышленность разрабатывает ASIC с интерфейсами «кристалл-кристалл» на ведущих узлах FinFET, в то время как по крайней мере один серверный чип следующего поколения разрабатывается с дезагрегированным вводом-выводом на отдельном кристалле.

Заключение

За последние пять лет полупроводниковая промышленность столкнулась с множеством сложных проблем. К ним относятся увеличение затрат на разработку, размытие ASP, насыщение рынка и повышенная, но неустойчивая деятельность по слияниям и поглощениям. В течение 2018 года полупроводниковая промышленность продолжает стремиться к возвращению к стабильности и органическому росту в рамках параметров новой бизнес-парадигмы, одновременно жизнеспособной и основанной на сотрудничестве.В этом контексте компании, производящие полупроводники, осознают потенциал новых рынков и возможности получения доходов в нисходящем направлении, поскольку они исследуют более комплексную модель «от кремния к услугам», которая охватывает центр обработки данных и мобильную периферию.

Сюда входят решения для сквозной безопасности IoT и услуги на основе PaaS, такие как конфигурация функций на месте, расширенная аналитика, предупреждения о профилактическом обслуживании, алгоритмы самообучения и интеллектуальное проактивное взаимодействие с клиентами. Помимо услуг, концепция аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом и построения микросхем из разукрупненных, предварительно проверенных чиплетов начинает набирать обороты, поскольку компании переходят к сокращению затрат и сокращению времени вывода на рынок гетерогенных конструкций.

Конкретные стратегии раскрытия всего потенциала полупроводников, несомненно, будут различаться, поэтому для нас важно изучить будущее, в котором отрасль, наряду с различными исследовательскими организациями и государственными учреждениями, будет играть открытую и совместную роль, помогая устойчивой монетизации и кремний, и сервисы.

Для получения дополнительной информации по этой теме посетите сайт Rambus.

Шрикант Лохокаре, доктор философии, является вице-президентом и исполнительным директором Global Semiconductor Alliance в Северной Америке.

Характеристики переключения SCR — электрические концепции

Характеристики переключения SCR — это изменение во времени напряжения на его анодном и катодном выводах и тока через него во время его включения и выключения. Это означает, что будет два типа характеристик: одна во время процесса включения, а другая во время процесса выключения SCR. Это также известно как динамические характеристики SCR. В этой статье мы сначала обсудим характеристики переключения при включении, а затем — о процессе выключения SCR.Время задержки, время нарастания и время распространения, связанные с процессом SCR Tun On, а также время обратного восстановления и время восстановления шлюза, связанные с процессом SCR Turn Off, также были подробно объяснены.

Мы уже знаем о том факте, что SCR начинает проводить, когда он смещен в прямом направлении и применяется стробируемый импульс. Это означает, что когда мы применяем импульс затвора, SCR меняет свое состояние с режима прямой блокировки на режим прямой проводимости.Но вопрос, о котором следует подумать, немедленно ли SCR переходит в режим прямой проводимости, когда мы применяем импульс затвора, или есть какое-то время перехода? Фактически, существует время перехода из состояния прямого выключения в состояние прямого включения. Это время перехода называется SCR или тиристором время включения .

Время включения тиристора может быть определено как время, необходимое тиристору для изменения своего состояния из режима прямой блокировки в режим прямой проводимости при подаче стробирующего импульса.Общее время включения SCR состоит из трех различных временных интервалов: время задержки, время нарастания и время распространения.

Время задержки измеряется от момента, когда ток затвора достигает 0,9I _g , до момента, когда анодный ток достигает 0,1I _a . Здесь I _g и I _a — окончательные значения тока затвора и анода соответственно.

Есть несколько других способов определения времени задержки.Он также определяется как время, в течение которого анодное напряжение падает с _В до 0,9 В _—. Здесь V _a — начальное значение напряжения между анодом и катодом, когда SCR находился в режиме прямой блокировки. Другой способ определить это время, в течение которого анодный ток достигает 0,1I _a от прямого тока утечки.

Инициирование процесса включения в основном начинается от затвора к катодному переходу. Как только мы подаем ток затвора, заряды вводятся в переход затвор-катод.Этот заряд первоначально течет узким путем из-за неравномерного распределения заряда. Следовательно, плотность тока около затвора больше и уменьшается с увеличением расстояния от затворного перехода. Это означает, что во время задержки анодный ток течет в узкой области около затвора, где плотность затвора выше.

Время нарастания определяется как время, необходимое анодному току для повышения с 0,1I _a до 0,9I _a . За это время напряжение между анодом и катодом падает с 0.9 В _a до 0,1 В _a . Время нарастания обратно пропорционально величине тока затвора и скорости его нарастания. Чем больше значение тока затвора, тем меньше будет время нарастания.

Во время нарастания ток начинает распространяться от узкой проводящей области затвора к катодному переходу. Но поскольку время нарастания невелико, анодный ток не изменяется, чтобы распространяться по всему поперечному сечению катода. Таким образом, можно сказать, что, как и во время задержки, ток во время нарастания также течет в узкой области.Однако площадь этой узкой области больше, чем в случае времени задержки.

Поскольку ток и напряжение больше во время нарастания, потери при включении в тиристоре больше во время нарастания.

Время расширения SCR или тиристора — это время, за которое анодный ток достигает значений от 0,9I _a до I _a . За это время анодный ток распространяется по всему поперечному сечению катода. По истечении времени расширения анодный ток достигает установившегося значения, а падение напряжения на выводах тринистора становится равным падению напряжения на ступени порядка 1: 1.5 В.

Из приведенного выше обсуждения мы видим, что SCR — это устройство с контролируемым зарядом во время поворота. Это также очевидно из того факта, что определенное количество заряда вводится током затвора в переходе затвор-катод, чтобы перевести SCR в режим прямой проводимости из его состояния прямой блокировки. Это означает, что чем выше значение тока затвора, тем меньше будет время включения. В общем, величина тока затвора для включения SCR примерно в 3-5 раз превышает минимальный ток затвора, необходимый для запуска SCR.Когда ток затвора в несколько раз выше, чем минимальный требуемый ток затвора, считается, что SCR с жестким запуском или перегружен SCR .

Характеристики переключения SCR во время выключения — это переход SCR из состояния прямой проводимости в состояние прямой блокировки. Этот переходный процесс включает в себя приведение анодного тока ниже тока удержания, выметание зарядов из внешнего p- и n-перехода и рекомбинацию дырок и электронов на внутреннем переходе.Таким образом, это динамичный процесс. Этот динамический процесс перевода SCR в выключенное состояние называется процессом коммутации или процессом выключения. Обсудим подробно, характеристики переключения SCR при выключении.

Как мы знаем, когда SCR включен, гейт не может его контролировать. Это означает, что тиристор будет продолжать оставаться в состоянии проводимости, даже если ток затвора будет удален. Хорошо, но теперь мы хотим отключить SCR. Итак, что нам нужно делать? Нам нужно снизить анодный ток ниже тока удержания.Но простое понижение анодного тока ниже удерживающего не отключит SCR. Это связано с тем, что носители заряда, то есть электроны и дырки, все еще находятся в благоприятном состоянии, и если мы подадим прямое напряжение на анодные и катодные выводы, SCR начнет проводить. Это означает, что нам нужно приложить обратное напряжение в течение некоторого конечного времени, чтобы дать переносу заряда время унести от внешнего p- и n-перехода из-за обратного напряжения. После того, как заряд был унесен и воссоединен во внутреннем переходе, где свипирование невозможно, SCR будет поддерживать прямое напряжение.На этапе времени мы скажем, что SCR отключен. Весь этот процесс занимает некоторое время, известное как время выключения SCR.

Время выключения (t _q ) определяется как время между моментом, когда ток анода становится равным нулю, и моментом, когда SCR восстанавливает способность прямой блокировки. За это время все избыточные переносчики из внешних слоев p и n удаляются, как описано выше. Это удаление избыточных носителей состоит из выметания дырок из внешнего p-слоя и электронов из внешних n-слоев.Носители во внутреннем переходе могут быть унесены только рекомбинацией. Таким образом, существует два разных метода удаления избыточных носителей. Это привело к двум разным временам. Время, за которое лишние носители удаляются из двух внешних слоев p и n, называется Время обратного восстановления t _rr . В то время как время, в течение которого носители во внутреннем слое удаляются из-за рекомбинации, называется временем восстановления затвора , t _gr .

На рисунке ниже показаны характеристики переключения SCR во время включения и выключения.

Со ссылкой на приведенные выше характеристики переключения SCR во время выключения можно отметить следующие моменты:

• В момент t ₁ анодный ток становится равным нулю. Но носители все еще находятся в благоприятном состоянии, анодный ток начнет течь в обратном направлении с тем же наклоном, то есть di / dt. Это действительно хорошо. Этот обратный ток поможет выметать лишние дыры из внешнего p-слоя и лишние дыры из внешнего n-слоя. Этот обратный ток сначала увеличивается, но с вытеснением избыточных носителей этот ток начинает уменьшаться.В момент времени t ₂ , когда около 60 процентов носителей унесено из внешних слоев, обратный анодный ток звезды уменьшится. Скорость затухания обратного тока вначале высокая, но впоследствии становится постепенной. Это быстрое затухание обратного тока вызывает обратное напряжение на выводах тиристора или тиристора и, следовательно, может повредить его. Элемент RC на терминале SCR помогает защитить от такого типа событий.
• В момент времени t ₃ , когда обратный ток становится почти нулевым, избыточные носители полностью удалены, и теперь SCR может выдерживать обратное напряжение.
• Таким образом, время обратного восстановления составляет (t ₃ — t ₁ ).
• По прошествии времени обратного восстановления t _rr избыточные носители все еще удерживаются во внутреннем переходе J2. Следовательно, SCR не может блокировать прямое напряжение. Поскольку избыточный заряд вокруг перехода J2 не может течь во внешней цепи, эти захваченные заряды должны распадаться из-за рекомбинации. Эта рекомбинация возможна только в том случае, если обратное напряжение поддерживается на SCR в течение некоторого конечного времени, хотя величина этого обратного напряжения не важна.Это потому что; скорость рекомбинации зависит только от температуры перехода. Он не зависит от параметра внешней цепи. Время рекомбинации заряда называется Gate Recovery Time , t _gr . Здесь время восстановления затвора (t ₄ — t ₃ ).
• В момент t ₄ , поскольку нет избыточного заряда, тиристор выдерживает прямое напряжение. Следовательно, мы говорим, что SCR отключен. Время выключения тиристора или тиристора находится в диапазоне 3-100 мкс.
• Время выключения SCR зависит от величины анодного тока до начала процесса коммутации, di / dt и температуры перехода. Увеличение величины этих факторов увеличивает время выключения тиристора. Однако время выключения уменьшается с увеличением величины обратного напряжения. Это потому что; высокое обратное напряжение быстро выметает дырки из внешнего p-слоя и электроны из внешних n-слоев. Таким образом, время выключения тиристора не является постоянным параметром тиристора, а зависит от параметра внешней цепи.
• SCR является частью внешней цепи. Время выключения тиристора или тиристора практической схемой называется Время выключения цепи , t _c . Он определяется как время между моментом, когда ток анода становится равным нулю, до момента, когда обратное напряжение на выводах тиристора становится равным нулю. Время выключения цепи t _c должно быть больше времени выключения тиристора t _q для надежной коммутации.

Тиристоры с медленным временем выключения (50-100 мкс) называются тиристорами преобразовательного класса, а тиристоры с быстрым временем выключения (3-50 мкс) называются тиристорами инверторного класса.Тиристоры преобразовательного класса дешевле и используются для выпрямителей с фазовым управлением, контроллеров напряжения переменного тока и т. Д. Тиристоры инверторного класса дороже и используются для прерывателей, инверторов и преобразователей с принудительной коммутацией.

Полупроводниковый прибор | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси конкретного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века.За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими у кремния.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — т. Е. атомов расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (, т.е. при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой дает , то есть электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда ( т.е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) — , то есть электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под электрическим током. поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния.