Запираемые тиристоры

Лекция №4
Тиристоры
Принцип действия тиристора
Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя
устойчивыми состояниями , имеющий три или более
p-n переходов, который может переключаться из
закрытого состояния в открытое и наоборот.
Традиционным типом тиристора является кремниевый
управляемый вентиль (silicon controlled rectifier- SCR),
который используется в силовых управляемых
преобразователях переменного или постоянного тока
частотой 50(60) Гц.
Рис.4.1. Традиционный тиристор:
а – графическое обозначение; б – четырехслойная
структура; в – трехслойные структуры; г –
эквивалентная схема замещения
Тиристор имеет четырехслойную структуру типа p-n-p-n
с тремя выводами: анод A, катод C и управляющий
электрод G (рис.3.1.). Структуру тиристора можно
представить в виде двух соединенных трехслойных
структур типов p-n-p и n-p-n, эквивалентных структурам
биполярных транзисторов. Этой структуре соответствует
схема замещения из транзисторов VT1 и VT2 .Ток анода
𝑖𝐴 может быть выражен через обратные токи (тепловые
токи коллекторных переходов) эквивалентных
транзисторов VT1 и VT2
𝑖𝐶01 +𝑖𝐶02 +𝛼𝑖𝐺
𝑖𝐴 =
,
1−(𝛼1 +𝛼2 )
где 𝑖𝐶01 и 𝑖𝐶02 -обратные токи коллекторных переходов
транзисторов VT1 и VT2;
𝑖𝐺 - ток управляющего электрода тиристора;
𝛼1 , 𝛼2 - коэффициенты передачи по току эквивалентных
транзисторов в схеме с общей базой.
При 𝛼1 +𝛼2 =1 ток 𝑖𝐴 резко возрастает. Благодаря
положительной обратной связи между током
коллектора 𝑖𝐶01 транзистора VT1 и током базы 𝑖𝐵2
транзистора VT2 возникает лавинообразное
увеличение тока 𝑖𝐴 . Увеличение тока управляющего
электрода тиристора 𝑖𝐺 приводит к включению
транзистора VT2, увеличению тока базы транзистораVT1
и его включению. Благодаря положительной обратной
связи между эквивалентными транзисторами
включение тиристора развивается лавинообразно до
полностью открытого состояния.
Анализируя процессы в схеме с эквивалентными
транзисторами, можно убедиться в том, что если
произошло включение тиристора, то прекращение
протекания тока управляющего электрода 𝑖𝐺 не
приведет к выключению схемы. Это связано с наличием
внутренней обратной связи. Если ток анода 𝑖𝐴 по какимлибо внешним причинам уменьшается до нуля и
внутренние емкости эквивалентных транзисторов
разрядятся, то схема не перейдет в проводящее при
прямом напряжении анод-катод без подачи импульса
тока 𝑖𝐺 на управляющий. Тиристор способен
выдерживать прямое и обратное напряжение, не
переходя в проводящее состояние. Тиристор проводит
прямой ток при прямом напряжении и импульсе тока
управления. Выключение тиристора происходит после
уменьшения прямого тока до нуля и восстановления его
запирающей способности
Типы тиристоров
Диодный тиристор ( неуправляемый, динистор) анодный А и Кат.С. Его переключение из одного
устойчивого состояния в другое в цепи переменного
тока определяется методом нагрузочной
характеристики (рис.4.2).
Точка 1 на ВАХ – динистор закрыт и ток в цепи мал.
Точка 2 на ВАХ – напряжение на динисторе достигнет
включения U= 𝑈вкл .
Точка 3 на ВАХ – незначительное увеличение ЭДС 𝑒эк
приведет к резкому изменению режима работы цепи.
Точка 4 на ВАХ – напряжение достигнет напряжения
выключения, уменьшение ЭДС 𝑒эк приводит к
закрыванию динистора.
Рис.4.2. Диодный тиристор
Триодный тиристор (управляемый, тринистор ) –
кроме анодного (А) и катодного (C) выводов имеет ещё
вывод управляющего электрода (G), который
подключается либо к ближайщей к катоду p-области
или к ближайщей к аноду n-области (рис.4.3.).
Различают катодное и анодное управление тиристором
(рис.4.4). Первое подключение более распространено.
При изменении напряжения управления 𝑈уп
изменяется и напряжения включения тиристора 𝑈вкл .
Тринистор можно использовать как управляемый ключ.
Существует большое разнообразие типов тиристоров,
весьма различных по своим характеристикам и
функциональным возможностям (рис.4.5.).
Рис.4.3.Триодный
тиристор
Рис.4.4.Управление
тиристором:
а – катодное;
б- анодное
Рис.4.5. Типы тиристоров:
а – запираемый тиристор; б – динистор; в – диодтиристор; г – симистор; д - оптотиристор
Среди них следует выделить:
запираемые тиристоры;
 быстродействующие тиристоры для инверторов (с
временем выключения менее 10 мкс);
 объединенные конструктивно пары встречновключенных тиристоров в одном приборе с общим
электродом управления (симисторы, или триаки),
используются для фазового управления в цепях
переменного тока;
 асимметричные тиристоры, в которых обычный
тиристор интегрально объединен со встречновключенным силовым диодом, обеспечивающим
протекание встречного для тиристора тока, наличие
обратного диода улучшает условия выключения
тиристора в «мягком» режиме;
оптотиристоры (фототиристоры), управляемые
световым потоком. Световой сигнал управления
подключается к тиристору через оптокабели,
проводящие световой поток. Эффект включения от
воздействия светового потока обусловлен
генерацией дополнительных носителей заряда в
облучаемой полупроводниковой структуре;
диодные тиристоры (динисторы), включаемые
импульсом прямого напряжения.
Все они имеют свои области рационального
применения.
Тиристоры являются наиболее мощными
электронными ключами, способными коммутировать
электрические цепи напряжением до 9 кВ токами до 8
кА
Статические вольт-амперные
характеристики тиристора
Идеализированная статическая ВАХ показана на рис.4.6.
Тиристор может проводить ток в одном направлении, а
в закрытом состоянии может выдерживать прямое и
обратное.
Типовая схема включения представлена на рис.4.7,а.
Семейство выходных статических ВАХ при различных
значениях тока управляющего электрода (рис.4.7,в).
Предельное прямое напряжение, которое выдерживает
тиристор без его включения, имеет максимальное
значение при 𝑖𝐺 =0. При увеличении 𝑖𝐺 прямое
напряжение снижается
Рис.4.6. Вольтамперная-амперная
характеристика идеального тиристора
Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь
II, а выключенному – ветвь I.
Процессу включения соответствует участок III ВАХ. Ток
удержания 𝐼𝐻 равен минимальному допустимому
значению прямого тока анода 𝑖𝐴 , при котором тиристор
остается в проводящем состоянии.
Зависимость тока утечки от обратного напряжения
соответствует ветви IV.
При превышении обратным напряжением значения 𝑢𝐵0
начинается резкое возрастание обратного тока,
приводящее к пробою тиристора. Пробой может быть
необратимым и приводить к выходу тиристора из
строя.
Рис.4.7. Характеристики тиристора:
а – схема включения; б – выходные ВАХ; в – входные
ВАХ
Таблица 4.1
В качестве нормируемых предельных параметров
напряжения в закрытом состоянии указывается
повторяющееся (напряжение, которое тиристор
выдерживает без пробоя каждый период на рабочей
частоте) и неповторяющееся (напряжение, которое
тиристор выдерживает однократно с последующим
длительным перерывом, необходимым для
восстановления его структуры.
Статические входные ВАХ, характеризующие
параметры управления тиристора (рис.4.7,в). Семейство
ВАХ расположено в области, ограниченной её
значениями при максимально 1 и минимально 2
допустимой рабочей температуре тиристора.
Ограничения мощности зависят от длительности
сигналов управления. Нагрузочная характеристика,
определяется амплитудой источника сигналов
управления 𝑒𝑦𝑚𝑎𝑥 и сопротивлением цепи управления
𝑅у .
Динамические характеристики тиристора
Включение тиристора осуществляется подачей
импульса тока в цепь управления (рис.4.8.).
На длительность переходного процесса значительное
влияние оказывают нагрузка (активная, индуктивная и
др.), амплитуда и скорость нарастания импульса 𝑖𝐺
управляющего электрода, температура, напряжение и
ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно
возникать недопустимых значений скорости нарастания
𝑑𝑢𝐴𝐶𝐹
прямого напряжения
,при которых может
𝑑𝑡
происходить несанкционированное включение
тиристора при отсутствии сигнала управления, и
превышение скорости нарастания тока 𝑑𝑖𝐴 𝑑𝑡 , что
вызывает прожиг структуры.
Рис.4.8. Диаграммы тока и напряжения при
включении тиристора
Процессы выключения тиристора и диода подобны .
Время выключения тиристора (рис.4.9.) составляет
𝑡𝑞 =𝑡𝑅𝑅 +𝑡𝑟 , где
𝑡𝑅𝑅 - время обратного восстановления ;
𝑡𝑟 - время рекомбинации избыточных носителей заряда.
Если на тиристоре возникнет прямое напряжение 𝑢𝐴𝐶𝐹
до истечения времени 𝑡𝑟 , то тиристор перейдет в
проводящее состояние, что приведет
к сбою в работе схемы (несанкционированному
включению тиристора). На время выключения 𝑡𝑞 влияют
температура, напряжение, скорость спада прямого тока и
нарастание прямого напряжения.
Рис.4.9. Диаграммы тока и напряжения при
выключении тиристора
Тиристоры включаются естественным (естественной
коммутацией) или принудительным (принудительной
или искусственной коммутацией).
Естественная коммутация происходит под
воздействием переменного напряжения сети в момент
спадания тока до нуля , используется в регуляторах
переменного напряжения и выпрямителях.
Принудительная коммутация (рис.4.10) происходит при
подключении при предварительно заряженного
конденсатора или LC-цепи с предварительно
заряженным конденсатором либо колебательным
переходным процессом в цепи нагрузки, при котором
ток нагрузки проходит через нуль.
Рис.4.10. Способы коммутации тиристоров:
а – посредством подключения заряженного конденсатора; б –
посредством колебательного разряда LC-rконтура; в – за счет
колебательного изменения тока в нагрузке
Подключение к выключаемому тиристору источника
энергии обеспечивает спадание прямого тока до нуля
и обеспечение паузы длительностью от единиц до
сотен микросекунд для восстановления запирающих
свойств тиристора в зависимости от его типа.
Защита тиристоров
Для защиты тиристоров от перенапряжений
используют демпфирующие RC-цепи, подключенные
параллельно тиристору.
Защита от перегрузок и КЗ реализуется различными
способами, ограничивающими максимальное
значение тока и время его протекания, в частности
быстродействующими предохранителями, которые
выбираются по значению защитного показателя.
Запираемые тиристоры
Неполная управляемость обычных (традиционных)
тиристоров существенно снижает эффективность их
применения. Для устранения этого недостатка созданы
и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые
по управляющему электроду. Выделяют три типа
запираемых тиристоров:
 Запираемый тиристор (GTO – Gate Turn – Off
Thyristor) – тиристор, который может быть
переключен из открытого состояния в закрытое и
наоборот путем подачи на управляющий электрод
сигналов соответствующей полярности. Для
выключения запираемых тиристоров (ЗТ) достаточно
подать на его управляющий электрод импульс тока
отрицательной полярности .
Рис.4.11. Структура запираемого тиристора
с «прозрачным» эмиттером
Существуют различные способы улучшения параметров
ЗТ, например, фирма ABB разработала новую
технологию на основе введения буферного n-слоя и
сокращения толщины анодного эмиттера, называемого
«прозрачным», с увеличением концентрацией
носителей n в области анода (рис.4.11.).
Существуют три группы модификаций GTO,
блокирующие обратное напряжение:
 симметричные ЗТ, способные блокировать равные
прямое и обратное напряжение;
 асимметричные ЗТ, не выдерживающие обратное
напряжение;
 обратнопроводящие ЗТ, проводящие ток в обратном
направлении, так как в них входят
встречновключенные быстродействующие диоды.
 Тиристор, переключаемый по управляющему
электроду (GCT – Gate Gommutated Thyristor). Для
повышения отключающей способности и
минимизации емкостей цепей формирования
траектории переключения вплоть до их полного
исключения был и создан прибор с использованием
драйвера малой индуктивности.
Полный ключ, объединяющий GCTи элементы
драйвера очень низкой индуктивности называется
коммутируемым тиристором с интегрированным
управлением (IGCT – Integrated Gate Commutated
Thyristor). В приборах типов GCT и IGCT отрицательный
ток выключения очень быстро достигает значений
анодного тока. Они относятся к категории запираемых
тиристоров с «жестким» выключением.
 Тиристор с полевым управлением ( МСТ – MOSControl Thyristor). Эти тиристоры являются
интегральными приборами, которые состоят из
десятков тысяч ячеек, имеющих электрические связи
(рис.4.12). Содержит два полевых транзистора, один
из которых обеспечивает процесс включения,
подавая импульс тока на управляющий электрод ,
второй – аналогично процесс выключения тиристора.
Схема из модификации МСТ имеет ряд преимуществ
перед другими типами силовых приборов: более
низкое падение напряжения в проводящем
состоянии, быстродействие и управляемость.
Современные образцы МСТ показывают
способность коммутировать мощности свыше 10 МВт
при частоте 10 кГц.
Рис.4.12. МОП-управляемый тиристор (РМСТ)
а – эквивалентная схема; б-обозначение