запираемый и незапираемый тиристор | Электрознайка. Домашний Электромастер.

Что такое динистор и тиристор?  

  ♦     Тиристор – полупроводниковый прибор на основе монокристалла полупроводника с многослойной структурой типа p –n –p – n обладает свойствами управляемого электрического вентиля. В качестве полупроводника обычно применяют кремний.

   Обычно тиристор имеет три вывода: два из них (катод и анод) контактируют с крайними областями монокристалла, а третий вывод – управляющий. Такой управляемый тиристор называется иногда триодным, или тринистором.

   Неуправляемый тиристор, имеющий всего два вывода (анод — катод), называется диодным тиристором или динистором.

   Четырехслойная структура тиристора изображена на рис 1.

     На рисунке 2 — его транзисторный аналог.

   ♦      Вольт-амперная характеристика, ВАХ динистора, имеет вид на рисунке 3.

 

  Устойчивое состояние (точка D на ВАХ) достигается в результате перехода транзисторов тиристора в режим насыщения. Падение напряжения на открытом динисторе — тиристоре составляет около

1,5 – 2,0 вольта.

    Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, то крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 оказываются смещенными в прямом направлении, а центральный переход П2 в обратном.

    С увеличением анодного напряжения Uа, ток через динистор сначала растет медленно (участок А — В на ВАХ). Сопротивление перехода П2 , в этом режиме еще велико, это соответствует запертому состоянию динистора.

   При некотором значении напряжения (участок В — С на ВАХ). называемым напряжением переключения

Uпер (напряжение лавинного пробоя перехода П2), динистор переходит в проводящее состояние.   
В цепи устанавливается ток (участок D – E на ВАХ), определяемый сопротивлением внешней цепи Rн и величиной приложенного напряжения U (рис 2).
Напряжение пробоя динистора, в зависимости от экземпляра, изменяется в широких пределах и имеет значения порядка десятков и сотен вольт.  
На вольт – амперной характеристике, ВАХ (рис 3.), обозначены участки: 
 — А – В участок в прямом включении, здесь динистор заперт и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения лавинного пробоя;
 — В – С участок пробоя коллекторного перехода;
 — C — D участок отрицательного сопротивления;
— D — E участок открытого состояния динистора (динистор включен).

    Динистор имеет два устойчивых состояния:
— заперт (А – В)
— открыт (D — E)

 В участке A – D – E явно просматривается кривая ВАХ диода.

♦     Тиристор имеющий три электрода – анод, катод и управляющий электрод – называется тринистором или просто тиристором.   Четырех слойная структура типа p – n – p – n является единой для тиристора – динистора. Просто, у динистора отсутствует дополнительный вывод управляющего электрода.   

При подаче тока в цепь управляющего электрода, тиристор переключается в открытое состояние при меньших значениях напряжения переключения Uпер.   
Если каким-то образом уменьшать ток, проходящий через динистор — тиристор, то при некотором его значении (точка D на ВАХ) тиристор закроется.Минимальный ток, при котором тиристор — динистор переходит из открытого в закрытое состояние (при токе управляющего электрода Iу =0) называется током удержания Iуд.   
Если через управляющий электрод тиристора пропустить отпирающий ток, то тиристор перейдёт в открытое состояние.   Включение транзисторного аналога тиристора (рис 2) можно осуществить по двум входам: между электродами (Э1 –Б1), либо между электродами (Э2 – Б2).

 ♦    Вольтамперная характеристика тиристора (Рис 4), похожа на вольтамперную характеристику динистора.    
Однако отпирание тиристора обычно происходит при существенно более низком  напряжении, чем необходимо динистору. К раннему открыванию тиристора приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода от Iy1 до Iy4, тем при более низком  напряжении Ua тринистор перейдёт в открытое состояние. Это отражено на вольтамперной характеристике тиристора.

 ♦    Тиристоры изготавливают на разные мощности: маломощные (ток 50 мА. – 100 мА), средней мощности (ток до 20 ампер) и большой мощности (токи 20 – 10000 ампер) и величины напряжения от нескольких вольт до 10 тысяч вольт.

 ♦    По назначению и принципу действия тиристоры делятся на: запираемые, быстродействующие, импульсные, симметричные и фототиристоры.   Тиристор и динистор пропускают ток только в одном направлении – от анода к катоду.

 ♦     В настоящее время появились двунаправленные динисторы (пропускают ток в обоих направлениях) и двунаправленные тиристоры (симисторы).

 

    Симистор имеет в своем составе как бы два тиристора, включенных встречно, с управлением от одного управляющего электрода.ВАХ (вольт — амперная характеристика) симистора представлена на рис 5.
Она имеет две одинаковые ветви. При положительном полупериоде сетевого напряжения действует правая ветвь, при отрицательном полупериоде – левая.
На управляющий электрод, относительно катода, также подается соответственно то положительное, то отрицательное управляющее напряжение. В схемах управления, симистор может заменить два тиристора.

   ♦     Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.   
Наличие двух устойчивых состояний (включен — выключен), а также низкая мощность рассеяния тиристора, обусловили широкое использование их в различных устройствах.    

Тиристоры применяются в регулируемых источниках питания, генераторах мощных импульсов, в линиях передачи энергии постоянного тока, в системах автоматического управления и т.д.

    Внешний вид тиристора и его обозначение на схемах:

  

    Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах регулирования освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.

    Внешний вид симистора такой же как и у обычного тиристора.

Тиристор, вольт-амперные характеристики, основные параметры и типы тиристоров

Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Структура тиристора состоит из четырех слоев кристалла полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 1). Крайние области структуры — соответственно p- и n-эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу, p — и n — баз.

Внешнее напряжение на такой прибор подается минусом на крайнюю область с электропроводностью n-типа (на катодный электрод) и плюсом на крайнюю область с электропроводностью р типа (на анодный электрод). В этом случае крайние р-n переходы П1, ПЗ включены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, средний р-n переход П2 включен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Структуру тиристора можно пред ставить в виде схемы замещения (рис. 2), состоящей из транзисторов VI и V2 соответственно p — n — p и n -p- n типа.

В этой схеме для учета нелинейной зависимости коэффициентов усиления α₁ и α₂ от тока эмиттерные переходы транзисторов шунтируются резисторами R1 и R2. База и коллектор транзистора VI соединены соответственно с коллектором и базой транзистора V2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи. Если к аноду тиристора подключить положительный полюс источника питания, а к катоду — отрицательный, то П1 и ПЗ сместятся в прямом, а П2 — в обратном направлении (см. рис.1)

Таким образом, напряжение источника питания окажется, приложенным к переходу П2 и ток во внешней цепи будет определяться выражением I = Iко / [1 — (α₁ + α₂)], где Iко — обратный ток перехода П2. Из этого выражения следует, что ток I зависит от α₁ и α₂ и резко возрастает, когда их сумма приближается к единице. Коэффициента α₁ и α₂ зависят от тока эмиттера, напряжения на коллекторном переходе, а также от других факторов. Тиристор, имеющий выводы только от крайних слоев, называется диодным тиристором или динистором; при дополнительном выводе от одного из средних слоев он называется трйодным тиристором или тринистором.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора представлена на рис. 3. Участок OA соответствует — выключенному (закрытому) состояний тиристора. На этом участке через тиристор протекает ток утечки Iзс и его сопротивление очень велико (порядка нескольких мегаОм). При повышении напряжения до определенного Uпрк (точка А характеристики) ток через тиристор резко возрастает. Дифференциальное сопротивление тиристора в точке А равно нулю. На участке АБ дифференциальное сопротивление тиристора отрицательное. Этот участок соответствует неустойчивому состоянию тиристора. При включении последовательно с тиристором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участок БВ, соответствующий включенному состоянию тиристора. На этом участке дифференциальное сопротивление тиристора положительное. Для поддержания тиристора в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее Iуд. Снижая напряжение на тиристоре, можно уменьшить ток до значения меньшего, чем Iуд, и перевести тиристор в выключенное состояние.

Вольт-амперная характеристика триодного тиристора (рис. 4), снятая при нулевом токе управляющего электрода, подобна характеристике диодного тиристора. Рост тока управляющего электрода (от Iу = О до Iу3) приводит к смещению вольт-амперной характеристики в сторону меньшего напряжения включения (от Uпрк до Uпрк3). При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, вольт-амперная характеристика триодного тиристора вырождается в характеристику обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения триодного тиристора необходимо, снижая напряжение на нем, уменьшать ток через тиристор до значения, меньшего, чем Iуд.

Запираемые триодные теристоры в отличие от обычных триодных тиристоров способны переключаться из отпертого состояние в запертое при подаче сигнала отрицательной, полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тиристора аналогична структуре обычного триодного тиристора. Способность тиристора к запиранию управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания

Кз= Iа/Iз= α₂/(α₁ + α₂ — 1),
где Iа анодный ток, при котором происходит запирание.

Симметричные тиристоры — симисторы (в старых справочника можно встретить написание — семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики симметричного тиристора расположена в третьем квадранте и аналогична прямой ветви. Отпирание симисторов производится посредством сигналов управления, снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.

Обозначение советских типов тиристоров (ОСТ 11 336.919—81) состоит из пяти элементов. Второй элемент обозначает подкласс прибора: для тиристоров, диодных — Н; для тиристоров, триодных — У.
Третий элемент — назначение прибора:

Тиристоры диодные:
с максимально допустимым значением прямого тока не более 0,3А — 1
с максимально допустимым значением прямого тока более 0,3. но не более 10А — 2

Тиристоры триодные незапираемые:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3 А или максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А — 1
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А — 2

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10А ила с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состояния более 100А — 7

Тиристоры триодные запираемые:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А — 3
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А — 4

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 10 А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100А — 8

Тиристоры триодные симметричные:
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии не более 0,3А или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии не более 15А — 5
с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состоянии более 0,3, но не более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 15, но не более 100А — 6

с максимально допустимым значением среднего тока в открытом состаямш более 10А, или с максимально допустимым значением импульсного тока в открытом состоянии более 100А — 9

В соответствии с ГОСТ 10862—72 приборам, разрабатываемым до 1979 г., присваивалось обозначение, при котором третий элемент, определяющий назначение прибора, выбирался согласно:

Тиристоры диодные:
малой мощности (допустимый прямой ток не более 0,3 А) — 1
средней мощности (допустимый прямой ток более 0,8, но не более 10А) — 2

Тиристоры триодные незапираемые:
малой мощности — 1
средней мощности — 2

Тиристоры триодные запираемые: малой мощности — 3
средней мощности — 4

Тиристоры триодные симметричные незапираемые:
малой мощности — 5
средней мощности — 6

Например: тиристор триодный незапираемый, предназначенный для устройств широкого применения, кремниевый, средней мощности, номер разработки 15, группа Б — КУ215Б.

Условное графическое обозначение тиристоров, установленное ГОСТ 2.730-73, приведено на рис.

а — диодный тиристор; б — триодный симметричный тиристор; в — триодный — незапираемый тиристор с управлением по аноду; г — триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду; д — триодный запираемой тиристор с управлением по аноду; е — триодный запираемый тиристор с управлением по катоду; ж — триодный симметричный незапираемый тиристор.

Основные параметры советских тиристоров, их определения и буквенные обозначения установлены ГОСТ 20332—84.

Напряжение переключения Uпрк — основное напряжение тиристора в точке переключения.

Ток включения тиристора Iвкл — наименьший основной ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии непосредственно после окончания действия импульса тока управления и переключения тиристора из закрытого состояния в открытое.

Ток удержания тиристора Iуд — наименьший основной ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Напряжение в открытом состоянии тиристора Uос — основное напряжение тиристора в открытом состоянии, обусловленное током в открытом состоянии.

Постоянный ток в закрытом состоянии Iз.с — основной ток тиристора в закрытом состоянии.

Постоянный обратный ток тиристора Iобр — постоянный анодный ток тиристора в непроводящем состоянии.

Незапирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.нз.и — наибольшее импульсное напряжение управления тиристора, не вызывающее включение тиристора.

Отпирающее напряжение тиристора Uот — наименьшее значение напряжения в закрытом состояний твристора, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое.

Импульсное отпирающее напряжение тиристора Uот.и — наименьшее импульсное значение напряжения в закрытом состоянии тиристора, которое обеспечивает переключение тиристора из закрыого состояния в открытое.

Неотпирающий постоянный ток управления тиристора Iу.нот — наибольший постоянный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Неотпирающий импульсный ток управления тиристора Iу.нот.и — наибольший импульсный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Запирающий постоянный ток управления тиристора Iу.з — наименьший постоянный ток управления тиристора, необходимый для выключения тиристора.

Запирающий импульсный ток управления тиристора Iу.з и — наименьший импульсный ток управления тиристора, необходимый для выключения тиристора.

Незапирающий постоянный ток управления тиристора Iу.нз -наибольший постоянный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Незапирающий импульсный ток управления тиристора Iу.нз.и — наибольший импульсный ток управления тиристора, не вызывающий включения тиристора.

Отпирающий постоянный ток управления тиристора Iу.от.п — наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора.

Отпирающий импульсный ток управления тиристора Iу.от.и — наименьший импульсный ток управления, необходимый для включения тиристора.

Отпирающее постоянное напряжение управления тиристора Uy.от — постоянное напряжение управления тиристора, соответствующее отпирающему постоянному току управления тиристора.

Отпирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.от.и — импульсное напряжение управления тиристора, соответствующее импульсному отпирающему току управления тиристора.

Неотпирающее постоянное напряжение управления тиристора Uу.нот — наибольшее постоянное напряжение управления тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Неотпирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.нот.и — наибольшее импульсное напряжение управления тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Запирающее постоянное напряжение управления тиристора Uу.з — постоянное напряжение управления тиристора, соответствующее запирающему постоянному току управления тиристора.

Запирающее импульсное напряжение управления тиристора Uу.з.и — импульсное напряжение управления тиристора, соответствующее запирающему импульсному току управления тиристора.

Незапирающее постоянное напряжение управления тиристора Uy.н.з — наибольшее постоянное напряжение управление тиристора, не вызывающее включения тиристора.

Общая емкость тиристора Собщ — емкость между основными выводами при заданном напряжении в закрытом состоянии тиристора.

Динамическое сопротивление в открытом состоянии тиристора Rдин — значение сопротивления, определяемое по наклону прямой, аппроксимирующей характеристику открытого состояния тиристора.

Время включения тиристора t_вкл — интервал времени, в течение которого тиристор включается отпирающим током управления или переключается из закрытого состояния в открытое импульсным отпирающим напряжением. Время включения равняется сумме времени задержки и времени нарастания.

Время выключения тиристора t_выкл — наименьший интервал времени между моментом, когда основной ток тиристора после внешнего переключения основных цепей понизился до нуля, и моментом, в который определенное основное напряжение тиристора проходит через нулевое значение без переключения тиристора.

Предельно допустимые параметры. К ним относятся: постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии Uз.с.max, постоянное обратное напряжение управления Uу.обр.max, постоянное обратное напряжение Uобр.max, постоянный ток в открытом состоянии Iос.max, импульсный ток в открытом состоянии Iос.и.max, постоянный прямой ток управления Iу.max, средняя рассеиваемая мощность Pср.max.

1.4.5. Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры являются одними из последних разработок в процессе конструирования и производства силовых электронных ключей.

Запираемый тиристор (gate turn off thyristor— GТО) — тиристор, который может быть переключен из открытого состояния в закрытое и, наоборот, открыт путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Для выключения запираемых тиристоров (ЗТ) достаточно подать на его управляющий электрод импульс тока отрицательной полярности. Четырехслойные структуры типа р-п-р-п запираемого и обычного тиристоров подобны. Это четырехслойные полупроводниковые приборы с тремя силовыми выводами. Требования к их конструктивному исполнению различны. Более того, реализация процесса эффектив­ного запирания ЗТ потребовала более сложной технологии их производства. Поэ­тому долгое время они не применялись, так как коммутируемая ими мощность была существенно меньше по сравнению с мощностью, коммутируемой традици­онными тиристорами. В настоящее время запираемые тиристоры являются одними из наиболее мощных электронных, полностью управляемых ключей. Наиболее существенным изменением в конструкции современных ЗТ по срав­нению с тиристорами стало изменение катодных эмиттеров, в основу которой было положено максимальное увеличение поверхности протекания электронно-дырочной плазмы от управляющего электрода к катоду при одновременном сокра­щении путей ее протекания. Это достигнуто созданием сильноразветвленного катода, выполненного из большого числа сегментов, расположенных в виде кон­центрических окружностей, имеющих общий контакт с управляющим электро­дом. Сегмент катода обычно имеет длину 2—3 мм, а ширину 100—300 мкм. При выключении ЗТ быстрое увеличение запирающего тока управляющего электрода приводит к быстрому уменьшению тока катода и выключению ЗТ.

В настоящее время существуют три группы модификаций GТО, блокирующие обратное напряжение: симметричные ЗТ, способные блокировать равные прямое и обратное напряжение; асимметричные ЗТ, не выдерживающие обратное напряжение; обратно проводящие ЗТ, проводящие ток в обратном направлении, так как в них входят быстродействующие диоды.

Для повышения отключающей способности и минимизации емкостей у цепей формирования траектории переключения вплоть до их полного исключения был создан прибор с использованием драйвера малой индуктивности, называемый тиристор, коммутируемый по управлению (gate commutated thyristor — GСТ). Полный ключ, объединяющий GСТ и элементы драйвера очень низкой индуктив­ности, называется коммутируемым тиристором с интегрированным управлением (integrated date commutated thyristor — IGCT). Главное различие между GТО (ЗТ) и тиристорами GСТ и IGCT заключается в переводе полного анодного тока с катода на управляющий электрод за очень короткое время. Пре­имуществом такого принципа выключения GTO и IGCT является существенное повышение их быстродействия. Кроме того, становится возможным осуществить коммутацию без ЦФТП (в современной технической литературе используется термин «коммутация без снаббера» или «безснабберная коммутация»).

Максимальное значение отрицательного тока выключения рассчитыва­ется из наиболее тяжелых условий коммутации. Оно соизмеримо с выключаемым током и составляет примерно 30 % максимально допустимого значения запирае­мого тока. Например, для GТО SSGA30I 4502 фирмы АВВ при максимальном токе 3000 А ток составляет примерно 600—800 А в зависимости от параметров снаббера. Однако энергия выключения за один импульс E_выкл незначительна и составляет 18—24 Дж за один импульс [6].

Оптотиристоры (LTT), запираемые тиристоры (GTO) и ком­мутируемые по затвору запираемые тиристоры (GCT, IGCT) являются производными тиристорных техноло­гий и находят применение в мегаваттном диапазоне мощностей. В настоя­щее время для LTT достигнуты пре­дельные параметры 8 кВ/4 кА, для GCT — 4,5 кВ. К 2014 году планирует­ся производство GCT на 11кВ. Будет развиваться и совершенствоваться технология IGCT — объединение на одной пла­стине GCT с обратным диодом в таб­леточных корпусах с плавающими прижимными контактами, конструк­тивно объединённых с платой управ­ления (драйвером). В будущем класс тиристоров все же будет частично за­менён и, возможно, полностью вытес­нен высоковольтными IGBT. Тиристо­ры в комбинации с MOSFET-структурами, такие как MCT, MTO и EST, всё же не нашли широкого применения. В настоящее время они нашли частичное применение в схемах с мяг­кой коммутацией.

В приборах типов GСТ и IGCT отрицательный ток выключения очень быстро достигает значений анодного тока. Поэтому они относятся к приборам с коэффи­циентом усиления по выключению, равным единице, а также к категории запирае­мых тиристоров с «жестким» выключением.

В настоящее время созданы запираемые тиристоры с максимальными значени­ями напряжения до 6 кВ и тока до 6 кА. Различные модификации запираемых тиристоров GСТ могут успешно исполь­зоваться для последовательного соединения или без снабберной работы.

Тиристоры, в которых МОП- транзисторы участвуют в выключении, называются МОП- управляемыми тиристорами (МСТ). Эти тиристоры являются интегральными приборами, которые состоят из десятков тысяч ячеек, имеющих электрические связи. Соотношение числа тиристорных ячеек и подключенных к ним МОП- транзисторов зависит от модификации исполнения МСТ.

На рис. 1.31 представлена эквивалентная схема одной из модификаций МСТ.

Схема Р-МСТ состоит из биполярных транзисторов VT1 и VТ2, соединенных

по схеме, эквивалентной одно операционному тиристору, и двух полевых транзисто­ров (ПТ). Полевой транзистор p-канального типа работает на включение, ну а n-канального типа — на выключение. Согласно эквивалентной схеме полевые транзисторы обеспечивают регенеративные процессы переключения тирис­тора за счет обратных связей с биполярными структурами. Включение Р-МСТ осу­ществляется подачей отрицательного относительно анода импульса напряжения на управляющий электрод G при наличии прямого напряжения и_АСF, приложен­ного к Р-МСТ. При этом происходит включение МОП- транзистора ПТ_вкл., который отпирает транзистор VT1, что вызывает включение транзистора VТ2 в режиме регенерации, как в одно операционном тиристоре. В результате Р-МСТ переходит в проводящее состояние, которое сохраняется после снятия импульса управления.

а б

Рис. 1.31. МОП- управляемый тиристор (Р-МСТ):

а — эквивалентная схема; б — обозначение

Выключение Р-МСТ осуществляется подачей положительного импульса на управляющий электрод относительно анода, что приводит к включению транзис­тора ПТ_вкл. и разрыву его обратной связи с транзистором VT1 (коллектор VT2 — база VТ1). В результате происходит выключение схемы Р-МСТ.

Вопросы для самоконтроля

1. Объясните принцип работы тиристора с помощью двухтранзисторной модели. В чем заключается положительная обратная связь?

2. Почему отсутствие тока управляющего электрода не приводит к выключению тиристора?

3. Какое прямое напряжение может выдержать тиристор при отсутствии импульса управления?

4. Какими кривыми входной ВАХ ограничен импульс управления тиристором?

5. Какие условия необходимо создать для отпирания тиристора?

Способ выключения незапираемого тиристора

Изобретение относится к области электроники. Сущность изобретения: в способе выключения незапираемого тиристора, тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания, обеспечивающего протекание выходного прямого тока, при этом выключение происходит не за счет изменения тока проводимости, а за счет направленного противоположно току проводимости тока смещения, возникающего при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода тиристора. Технический результат — снижение потерь энергии при выключении тиристора и уменьшение времени его выключения. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электроники и может быть использовано, в частности, в сильноточной инверторной технике, силовом оборудовании, мощных аналоговых ключах.

Известны способы выключения незапираемого тиристора, такие как отключение анодного тока либо шунтирование тиристора (Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под ред. В.И.Круповича, Ю.Г.Барыбина, М.Л.Самовера. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1982. 416 с., ил., — с.), а также коммутация анодного тока путем изменения полярности питающего напряжения (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. 384 с., — с.290).

Способы имеют существенные недостатки, связанные с большими энергетическими потерями и большим временем выключения тиристора.

Известен также наиболее близкий к предлагаемому изобретению способ выключения незапираемого тиристора коммутацией анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения (Герлах В. Тиристоры: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1985. 328 с., ил., — с.240).

Данный способ также имеет существенные недостатки, связанные с большими энергетическими потерями и большим временем выключения тиристора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является существенное снижение энергетических потерь и времени выключения тиристора.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается в способе выключения тиристора, заключающемся в том, что тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания за счет тока смещения, противоположного по направлению току проводимости при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В открытом состоянии при больших токах нагрузки характеристика тиристора обладает примерно теми же свойствами, что и p-i-n-диода с толщиной базы w, при этом J₁ — эмиттерный переход ЭП1, J₂ — коллекторный переход КП, J₃ — эмиттерный переход ЭП2, n_e, p_e — первый и второй эмиттеры, n_b, p_b — первая и вторая базы (фиг.1). Схема замещения в данном случае может быть представлена как совокупность двух биполярных транзисторов: одного — типа p-n-p, другого — типа n-p-n, и емкости C₂ перехода J₂ (фиг.2). При этом емкость C₂ в общем случае состоит из двух компонент (фиг.3) — барьерной емкости C_б, проявляющей свои основные свойства при обратном смещении перехода J₂, и диффузионной емкости С_диф, связанной с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в области перехода J₂ и характеризующей инерционность движения неравновесных зарядов:

C₂=C_б+С_диф

Свойства диффузионной емкости проявляются при прямом смещении перехода J₂, при котором ее значение может достигать тысяч пикофарад ввиду зависимости от прямого тока. Емкость C₂ всегда шунтирована сопротивлением коллекторного перехода R и содержит контактные сопротивления, учтенные в R_доб.

В общем случае при прямом смещении в области пространственного заряда перехода J₂ протекают не только конвекционные токи α₁I_A и α₂I_K (где I_A — ток анода, I_K — ток катода), образованные встречным движением дырок и электронов, но и ток смещения, вызванный влиянием емкости C₂ (фиг.4):

где I_V(t) — ток смещения;

U_A — анодное напряжение тиристора.

Ток смещения учитывает перезаряд емкости C₂ запирающего слоя перехода J₂, при этом емкостной ток через запирающие емкости переходов J₁ и J₃ достаточно мал, и им можно пренебречь. Следовательно, ток смещения при протекании через переходы J₁ и J₃ является током инжекции. Отсюда следует, что выражение для анодного тока тиристора (при условии пренебрежения явлением умножения носителей заряда в запирающем слое перехода J₂) имеет вид:

где I_CO[U₂(t)] — зависимость полного тока обратносмещенного коллекторного перехода от прямого падения напряжения на переходе J₂;

I_V(t) — ток смещения;

I_G(t) — ток управляющего электрода;

α₁, α₂ — малосигнальные коэффициенты передачи тока в схеме с общей базой.

Из анализа выражения (2) с учетом (1) следует, что при нарастающем анодном напряжении влияние тока смещения I_V(t) может быть таким сильным, что тиристор может открыться даже при нулевом токе управления, а при убывающем анодном напряжении возможно надежное выключение тиристора током I_V(t) смещения. Для этого в общем случае необходимо выполнение условия:

где I_уд — ток удержания.

При этом величина потерь при выключении уменьшается за счет того, что прямое сопротивление тиристора в открытом состоянии меньше, чем его обратное сопротивление.

Одна из схем реализации предлагаемого способа приведена на фиг.5 и состоит из незапираемого тиристора 1, в катодную цепь которого включена нагрузка 2, при этом параллельно тиристору 1 подключена последовательная цепочка, содержащая конденсатор 3, полупроводниковый диод 4 и нормально открытый ключ 5, после замыкания которого заряженный от внешнего источника постоянного напряжения конденсатор 3 подключается параллельно тиристору 1, при этом положительно заряженная обкладка подключается к аноду тиристора, а отрицательно заряженная — к катоду, чем достигается прямое смещение перехода J₂ тиристора 1, при этом цепь, содержащая конденсатор 3 и резистор 6, служит для заряда конденсатора 3.

В результате на переходе J₃ тиристора 1 появляется убывающее анодное напряжение, вызывающее появление направленного противоположно току проводимости тока смещения за счет влияния диффузионной компоненты C_диф емкости C₂ перехода J₂. При этом происходит выключение тиристора, если выполняется условие (3), а диод 4 служит для исключения участия емкости 3 в переходном процессе, возникающем при подаче питающего напряжения на схему.

Время выключения тиристора определяется временем рассасывания накопленного заряда в переходе J₂. Коммутация анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения обеспечивает наименьшее время выключения среди известных способов. Это достигается принудительным выводом дырок из перехода J₂. В предлагаемом способе принудительно выводятся не только дырки, но и электроны, то есть время выключения определяется временем перезаряда емкости C₂ и сравнимо с временем включения тиристора, что меньше времени выключения тиристора при использовании любого из известных способов.

При экспериментальной проверке способа, реализация которого приведена на фиг.5, были использованы: тиристор 1 типа ТЧ40, нагрузка 2 в виде лампы накаливания Б220-230 500 Вт; конденсатор 3 типа МБМ 0,25 мкФ; диод 5 типа КД202Ж; резистор 6 типа МЛТ1 39 кОм. Напряжение питания U_пит=220 В.

Проведенные экспериментальные исследования полностью подтвердили работоспособность предлагаемого способа выключения незапираемого тиристора.

Способ выключения незапираемого тиристора, заключающийся в том, что тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания, отличающийся тем, что выключение тиристора осуществляется током смещения, противоположным по направлению току проводимости, при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода.

Способы запирания динисторов и тринисторов.

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 24Следующая ⇒

Под процессом запирания четырёхслойного полупроводникового прибора понимают переход его из проводящего состояния в запертое. Для этого необходимо уменьшить ток прибора до I_пр<I_уд или разомкнуть анодную цепь, что соответствует I_пр=0. Второй способ запирания заключается в подаче на анод прибора обратного напряжения в течение короткого времени.

Рис.5.11. Способы запирания тринисторов в цепях постоянного тока: а — разрывом анодной цепи; б — шунтированием прибора; в — увеличением сопротивления в анодной цепи; г — коммутирующим конденсатором (рисунок выполнен авторами)

В схеме 5.11,а запирание тринистора происходит при кратковременном нажатии кнопки S1, что размыкает анодную цепь.

Рис.5.11,б тринистор запирается при нажатии шунтирующей кнопки, через контакты которой при этом проходит весь ток нагрузки, а анодный ток становится равным 0. В такой схеме функцию кнопки может выполнять транзистор, отпираемый током базы на время, необходимое на отключение тринистора.

Рис.5.11,в при кратковременном нажатии кнопки последовательно с нагрузкой Rн включается резистор R, сопротивление которого выбирается из условия:

U_п/(R_н+R) = I_пр < I_уд,

U_п — напряжение источника питания;

R_н — сопротивление нагрузки

Рис.5.11,г запирание прибора осуществляется с помощью коммутирующего конденсатора. После отпирания через тринистор протекает ток нагрузки I_пр=U_п/R_н, а коммутирующий конденсатор C через резистор R и открытый тиристор заряжается практически до напряжения источника питания U_c≈U_п. Продолжительность заряда с момента включения тиристора составляет примерно t_зар≈3RC. Если теперь кратковременно нажать на кнопку, то положительная обкладка окажется подключённой к катоду, а отрицательная к аноду. К прибору прикладывается обратное напряжение U_обр≈U_п. В цепи конденсатора, кнопки и тиристора проходит разрядный ток для тиристора в обратном направлении. Когда результирующий ток тиристора становится меньше I_уд, последний запирается. Вместо кнопки в этой схеме часто используют второй тиристор, на который подаётся сигнал выключения. Показанные на рис 5.11 способы запирания могут использоваться и для динисторов. В устройствах, работающих в цепях переменного тока, для запирания прибора не требуется специального сигнала, так как тиристоры выключаются автоматически в начале очередного отрицательного полупериода на аноде (Петрович В. П., 2008) .

Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры, в отличие от тринисторов, которые были рассмотрены ранее, — это полностью управляемые приборы, и под воздействием тока управляющего электрода они могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности, чем полярность, вызывавшая отпирание компонента. Для закрывания изначально открытого запираемого тиристора необходимо уменьшить сумму коэффициентов передачи эмиттерных токов ниже единицы и обеднить базы носителями зарядов, для чего управляющий электрод должен быть распределён по полупроводниковому кристаллу. Для этого управляющий электрод запираемого тиристора, как и катод, выполняют из множества однотипных ячеек, распределённых определённым образом по площади кристалла. Важным параметром рассматриваемых тиристоров выступает коэффициент запирания, который равен отношению тока анода к необходимому для выключения компонента обратному току управляющего электрода. Запираемые тиристоры обычно используют в преобразовательной технике в качестве электронных ключей. Запираемые тиристоры также называют двухоперационными тиристорами. Они являются полупроводниковыми приборами, которые можно и включить и выключить по цепи управления. Такой тиристор в зарубежной терминологии получил обозначение GTO-тиристор (Gate Torn — Off). В областях анода и катода запираемый тиристор состоит из большого числа технологических ячеек, представляющих отдельные тиристоры, которые включены параллельно. Структура запираемого тиристора изображена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Структура запираемого тиристора (а) и двухтранзисторный эквивалент (б) одной из ячеек тиристора (рисунок выполнен авторами)

Физические процессы, протекающие в запираемых тиристорах, во многом аналогичны уже рассмотренным для однооперационного тиристора. Исключение составляет процесс выключения отрицательным током управления. Во включенном состоянии все переходы тиристора находятся в состоянии насыщения. При достаточной величине и длительности управляющего тока выключения, а также равномерности его распределения по всем ячейкам, избыточная концентрация неосновных носителей заряда сначала снижается до нуля вблизи коллекторного перехода тиристора. При этом коллекторный переход смещается в обратном направлении, воспринимая часть внешнего напряжения. Так, оба транзистора начинают работать в активном режиме, и в структуре возникает положительная обратная связь при отрицательном базовом токе в n-p-n-транзисторе VT2. Вследствие лавинообразного уменьшения зарядов в базовых областях анодный ток начинает снижаться. Транзистор VT2 n-p-n-типа первый входит в режим отсечки. Действие положительной обратной связи прекращается, и дальнейший спад анодного тока определяется рекомбинацией в n- базе тиристора.

Вольт-амперная характеристика запираемого тиристора аналогична характеристике незапираемого тиристора (рис. 5.13).

 

 

 

Рис.5.13. Вольт-амперная характеристика двухоперационного тиристора (рисунок выполнен авторами)

На электрических принципиальных схемах запираемые тиристоры обозначаются условными обозначениями, представленными на рис. 5.14 (Петрович В. П., 2008).

Рис. 5.14. Условные обозначения запираемых тринисторов: а — с управлением по аноду; б — с управлением по катоду (рисунок выполнен авторами)

Симметричные тиристоры

Широкое применение в цепях переменного тока получили так называемые симисторы (симметричные тиристоры), которые выполняются на основе многослойной полупроводниковой структуры (рис. 5.15, а).

Рис. 5.15. Структура симистора -а и его условное графическое обозначение -б (рисунок выполнен авторами)

Основой в симисторе является монокристалл полупроводника, в котором созданы, пять областей с чередующимся типом проводимости, которые образуют четыре p-n-перехода. Контакты от крайних областей наполовину шунтируют первый и четвертый p-n-переходы. При полярности внешнего источника напряжения, указанной без скобок, переход J₁ окажется включенным в обратном направлении и ток через него будет исчезающе мал. Весь ток через полупроводниковую структуру при такой полярности источника будет протекать через область p₁. Четвертый переход J₄ будет включен в прямом направлении и через него будет проходить инжекция электронов. Значит, при данной полярности источника рабочая структура симистора представляет собой p₁-n₂-p₂-n₃-структуру, аналогичную структуре обычного тиристора, работа которого уже была рассмотрена выше. При смене полярности на противоположную (указана в скобках) уже будет закрыт переход J₄, а переход J₁ будет открыт. Структура симистора становится n₁-p₁-n₂-p₂, то есть опять аналогична структуре обычного тиристора, но направленного в противоположную сторону. Таким образом, в схемном отношении симистор можно представить в виде двух встречно-параллельных тиристоров.

Симистор имеет вольт-амперную характеристику, симметричную относительно начала координат (рис. 5.16), что и нашло отражение в его названии (Петрович В. П., 2008).

Рис. 5.16. Вольт-амперная характеристика симистора (рисунок выполнен авторами)

Фототиристоры

Фототиристором называют специальный тиристор, в корпусе которого (в случае дискретного исполнения) предусмотрено окно, в которое вместо подачи сигнала на управляющий электрод подаётся сигнал в виде потока лучистой энергии (рис. 5.17). При облучении всего полупроводникового кристалла, либо только участка между катодом и управляющим электродом тиристора под действием фотонов возникает фотогенерация носителей заряда, и чем интенсивнее будет световой поток, тем больше станет ток, протекающий по тиристору. При достаточной освещённости ток через выводы анод-катод тиристора лавинообразно возрастает, что вызывает открывание тиристора. Длительность включения фототиристоров может достигать несколько микросекунд. Следует отметить, что спектр света, которым облучают полупроводниковую структуру, должен быть согласован с определённой длиной волны, к облучению которой фототиристор максимально чувствителен. Материалом фототиристоров, как и типовых тиристоров, обычно выступает кремний. Редко в качестве основного материала маломощных быстродействующих тиристоров выступает арсенид галлия. Все остальные характеристики такого тиристора аналогичны характеристикам обычного тиристора с электрическим управлением.

Рис. 5.17. Структура фототиристора -а и его условное графическое обозначение -б (рисунок выполнен авторами)

На рис. 5.18 представлена вольт-амперная характеристика фототиристора. Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Сопротивление фототиристора изменяется от 10⁸Ом (в запертом состоянии) до 10^-1 Ом в открытом состоянии. Время переключения тиристоров лежит в пределах 10^-5…10^-6 секунды.

Рис. 5.18. Вольт-амперная характеристика фототиристора (рисунок выполнен авторами)

Некоторые фототиристоры позволяют коммутировать токи силой до сотен ампер при напряжениях анод-катод в десятки киловольт и обеспечивают гальваническую развязку системы управления и исполнительной цепи. В результате между устройством управления и фототиристором не нужно включать дорогой, ненадёжный и крупногабаритный высоковольтный трансформатор, который был бы необходим для гальванической развязки обычного тиристора, включённого в цепь с высоким напряжением относительно земли (Москатов, 2010).

Рекомендуемые страницы:

Тиристор — это… Что такое Тиристор?

Обозначение на схемах

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n-структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором^[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

• Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.
• В точке 1 происходит включение тиристора.
• Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
• Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).
• В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.
• Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.
• Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

Режимы работы триодного тиристора

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. Лавинный пробой.
2. Прокол обеднённой области.

В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис. 3). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины W_n1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше W_n1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V_BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера I_E, коллектора I_C и базы I_B и статическим коэффициентом усиления по току α₁ p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где I_Со— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Рис. 4. Двухтранзисторная модель триодного тиристора, соединение транзисторов и соотношение токов в p-n-p транзисторе.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток I_g втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен I_B1 = (1 — α₁)I_A — I_Co1. Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α₂ равен I_C2 = α₂I_K + I_Co2.

Приравняв I_B1 и I_C2, получим (1 — α₁)I_A — I_Co1 = α₂I_K + I_Co2. Так как I_K = I_A + I_g, то

Рис. 5. Энергетическая зонная диаграмма в режиме прямого смещения: состояние равновесия, режим прямого запирания и режим прямой проводимости.

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α₁ + α₂ < 1, ток I_A мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от I_A и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: V_AK = V₁ + V₂ + V₃. По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения _VAK = (_V1 — |V₂| + _V3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

Режим прямой проводимости

Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1. Следовательно, прибор в целом аналогичен p-i-n (p⁺-i-n⁺)-диоду…

Классификация тиристоров^[2][3][4]

• тиристор диодный (доп. название «динистор») — тиристор, имеющий два вывода
  • тиристор диодный, не проводящий в обратном направлении
  • тиристор диодный, проводящий в обратном направлении
  • тиристор диодный симметричный (доп. название «диак»)
• тиристор триодный (доп. название «тринистор») — тиристор, имеющий три вывода
  • тиристор триодный, не проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор»)
  • тиристор триодный, проводящий в обратном направлении (доп. название «тиристор-диод»)
  • тиристор триодный симметричный (доп. название «триак», неоф. название «симистор»)
  • тиристор триодный асимметричный
  • запираемый тиристор (доп. название «тиристор триодный выключаемый»)

Отличие динистора от тринистора

Принципиальных различий между динистором и тринистором нет, однако если открытие динистора происходит при достижении между выводами анода и катода определённого напряжения, зависящего от типа данного динистора, то в тринисторе напряжение открытия может быть специально снижено, путём подачи импульса тока определённой длительности и величины на его управляющий электрод при положительной разности потенциалов между анодом и катодом, и конструктивно тринистор отличается только наличием управляющего электрода. Тринисторы являются наиболее распространёнными приборами из «тиристорного» семейства.

Отличие тиристора триодного от запираемого тиристора

Переключение в закрытое состояние обычных тиристоров производят либо снижением тока через тиристор до значения I_h, либо изменением полярности напряжения между катодом и анодом.

Запираемые тиристоры, в отличие от обычных тиристоров, под воздействием тока управляющего электрода могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы закрыть запираемый тиристор, необходимо через управляющий электрод пропустить ток противоположной полярности, чем полярность, которая вызывала его открытие.

Симистор

Симистор (симметричный тиристор) представляет собой полупроводниковый прибор, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. Способен пропускать электрический ток в обоих направлениях.

Характеристики тиристоров

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10 кА; на напряжения от нескольких В до нескольких кВ; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10⁹ А/с, напряжения — 10⁹ В/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мкс, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мкс; КПД достигает 99 %.

Применение

См. также

Примечания

Литература

• ГОСТ 15133-77.
• Кублановский. Я. С. Тиристорные устройства. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 112 с.: ил. — (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1104).

Ссылки

7.7. Симметричные тиристоры (симисторы)

В некоторых схемах требуются приборы, которые можно включить как в прямом, так и в обратном направлении. Этому требованию отвечают симисторы.

Условное графическое обозначение симистора представлено на рис. 7.8.

а б

Рис. 7.8. Условное графическое обозначение (а) и представление симистора в виде двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (б)

При подаче импульса тока управления на управляющий электрод симистор включается при любой полярности анодного напряжения. Выключается– как обычный тиристор.

ВАХ симистора аналогична ВАХ двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 7.9).

Выпрямительный элемент симистора (рис. 7.10) имеет пятислойную структуру (n-p-n-p-n). Крайние переходы симистора замкнуты металлическими контактами (шунтами Ш₁, Ш₂) электродов А и В. Управляющий электрод подключен к области p₂.

Если полярность поданного напряжения следующая (на рис. 7.10 – без скобок): «минус» на электроде А и «плюс» на электроде В, то переход П₄ закрыт. При подаче положительного импульса на управляющий электрод (УЭ) ток проходит по пути n₁-p₂-n₃-p₄, как и в обычном тиристоре.

Рис. 7.9. Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора

Рис. 7.10. Структура симистора

При обратной полярности: «плюс» на электроде А и «минус» на электроде В, переход П₁ закрыт. Напряжение приложено к слоям p₂-n₃-p₄-n₅. При подаче на управляющий электрод положительного импульса электроны из цепи управления попадают в слой p₂ и под действием поля перехода П₂ переходят в слой n₃, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию дырок из слоя p₂ в слой n₃. Далее дырки переходят в слой p₄, у которого отрицательный потенциал. Возникает лавинный процесс нарастания тока и симистор открывается.

Прямая и обратная ветви ВАХ симистора имеют идентичный характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора.

Симисторы, как и обычные тиристоры, разбивают на группы по среднему падению напряжения и на классы по номинальному рабочему напряжению.

Симисторы применяют в качестве бесконтактных переключателей и управляемых вентилей для преобразования электрического тока.

7.8. Полностью управляемые тиристоры

Полностью управляемые тиристоры в различных источниках имеют следующие названия: запираемые, выключаемые, двухоперационные, GTO-тиристоры.

У обычных тиристоров можно управлять моментом включения, но нельзя управлять моментом окончания токовой проводимости. В связи с этим использование тиристоров в цепях постоянного тока, а также в инверторах, требует применения специальных средств (схем индуктивно-емкостных контуров коммутации), гасящих ток.

Условное графическое обозначение запираемого тиристора приведено на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Условное графическое обозначение запираемого тиристора

В запираемых тиристорах положительным управляющим импульсом обеспечивается перевод тиристора в проводящее состояние, а отрицательным импульсом – выключение тиристора.

ВАХ запираемого тиристора аналогична ВАХ обычного тиристора, аналогичен и процесс включения.

Запираемый тиристор имеет такую же четырехслойную структуру, что и обычный тиристор, поэтому к ним применим транзисторный аналог. При подаче отрицательного импульса тока управления в базовый слой структуры уменьшается заряд в обоих базах транзисторов. При этом уменьшаются все составляющие тока тиристора и он выключается.

Переходный процесс выключения запираемого тиристора током в цепи управления происходит в три этапа (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Переходные процессы при выключении запираемого тиристора

На первом этапе при протекании тока I_A= const подается импульс тока управления I_у на управляющий электрод (рис. 7.12, а). При этом происходит снижение значения тока катода I_к = (I_А – I_у). Чтобы первый этап перешел во второй необходимо определенное значение запирающего тока управляющего электрода, намного большее, чем значение тока включения (I_{у закр}  I_{у вкл}). Значение тока запирания I_{у закр} и тока анода I_А связаны значением коэффициента усиления при выключении:

(7.6)

Обычно G = = 3-5.

Второй этап характеризуется резким снижением токов I_А и I_К (рис. 7.12, а, б). В течение этого этапа происходит дальнейшее снижение концентрации носителей заряда в обеих базах структуры. Этап заканчивается тогда, когда эта концентрация становится равной нулю, при этом по цепи управляющего электрода и катода протекает обратный ток.

На третьем этапе происходит рассасывание неосновных носителей и ток тиристора снижается до нуля (рис. 7.12, а).

Основное конструктивное отличие запираемых тиристоров от обычных (незапираемых) заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и p-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), так же равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой р имеет шунты (зоны с n-типом проводимости), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах для снижения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

Запираемые тиристоры изготавливают в штыревых и таблеточных корпусах, устанавливаемых на типовых охладителях.