Современные тиристоры. Возможность обратной проводимости

Режим обратного запирания

Рис. 3. Режим обратного запирания тиристора

Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:

1. 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 α 1 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 - α 1)I A - I Co1 . Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α 2 равен I C2 = α 2 I K + I Co2 .

Приравняв I B1 и I C2 , получим (1 - α 1)I A - I Co1 = α 2 I 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 α 1 + α 2 < 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 = V 1 + V 2 + V 3 . 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 V AK = (V 1 - |V 2 | + V 3) 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

• 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 10 9 А/с, напряжения - 10 9 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

• Управляемые выпрямители
• Преобразователи (инверторы)
• Регуляторы мощности (диммеры)

См. также

• CDI (Capacitor Discharge Ignition)

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

• Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения
• Управление тиристорами и симисторами через микроконтроллер или цифровую схему
• Преобразовательные устройства в системах электроснабжения
• Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры .
• Отечественные Аналоги Импортных Тиристоров
• Справочники по тиристорам и аналогам,Замена тиристоров,замена диодов.Стабилитроны

Чтобы понять как работает схема, необходимо знать действие и назначение каждого из элементов. В этой статье рассмотрим принцип работы тиристора, разные виды и режимы работы, характеристики и виды. Постараемся объяснить все максимально доступно, чтобы было понятно даже для начинающих.

Тиристор — полупроводниковый элемент, имеющий только два состояния: «открыто» (ток проходит) и «закрыто» (тока нет). Причем оба состояния устойчивые, то есть переход происходит только при определенных условиях. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно.

По способу действия его можно сравнить с переключателем или ключом. Вот только переключается тиристор при помощи напряжения, а отключается пропаданием тока или снятием нагрузки. Так что принцип работы тиристора понять несложно. Можно представлять его как ключ с электрическим управлением. Так, да не совсем.

Тиристор, как правило, имеет три выхода. Один управляющий и два, через которые протекает ток. Можно попробовать коротко описать принцип работы. При подаче напряжения на управляющий выход, коммутируется цепь через анод-коллектор. То есть, он сравним с транзистором. Только с той разницей, что у транзистора величина пропускаемого тока зависит от поданного на управляющий вывод напряжения. А тиристор либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Внешний вид

Внешний вид тиристора зависит от даты его производства. Элементы времен Советского Союза — металлические, в виде «летающей тарелки» с тремя выводами. Два вывода — катод и управляющий электрод — находятся на «дне» или «крышке» (это с какой стороны смотреть). Причем электрод управления меньше по размерам. Анод может находиться с противоположной стороны от катода, или торчать вбок из-под шайбы, которая есть на корпусе.

Два вида тиристоров — современные и советские, обозначение на схемах

Современные тиристоры выглядят по-другому. Это небольшой пластиковый прямоугольник с металлической пластиной сверху и тремя выводами-ножками снизу. В современном варианте есть одно неудобство: надо смотреть в описании какой из выводов анод, где катод и управляющий электрод. Как правило, первый — анод, затем катод и крайний правый — это электрод. Но это как правило, то есть, не всегда.

Принцип работы

По принципу действия, тиристор можно еще сравнить с диодом. Пропускать ток он будет в одном направлении — от анода к катоду, но происходить это будет только в состоянии «открыто». На схемах тиристор похож на диод. Также имеется анод и катод, но есть еще дополнительный элемент — управляющий электрод. Понятное дело, есть отличия и в выходном напряжении (если сравнивать с диодом).

В схемах переменного напряжения тиристор будет пропускать только одну полуволну — верхнюю. Когда приходит нижняя полуволна, он сбрасывается в состояние «закрыто».

Принцип работы тиристора простыми словами

Рассмотрим принцип работы тиристора. Стартовое состояние элемента — закрыто. «Сигналом» к переходу в состояние «открыто» является появление напряжения между анодом и управляющим выводом. Вернуть тиристор в состояние «закрыто» можно двумя способами:

• снять нагрузку;
• уменьшить ток ниже тока удержания (одна из технических характеристик).

В схемах с переменным напряжением, как правило, сбрасывается тиристор по второму варианту. Переменный ток в бытовой сети имеет синусоидальную форму, когда его значение приближается к нулю и происходит сброс. В схемах, питающихся от источников постоянного тока, надо либо принудительно убирать питание, либо снимать нагрузку.

То есть, работает тиристор в схемах с постоянным и переменным напряжением по-разному. В схеме постоянного напряжения, после кратковременного появления напряжения между анодом и управляющим выводом, элемент переходит в состояние «открыто». Далее может быть два варианта развития событий:

• Состояние «открыто» держится даже после того, как напряжение анод-выход управления пропало. Такое возможно если напряжение, поданное на анод-управляющий вывод, выше чем неотпирающее напряжение (эти данные есть в технических характеристиках). Прекращается прохождение тока через тиристор, фактически только разрывом цепи или выключением источника питания. Причем выключение/обрыв цепи могут быть очень кратковременными. После восстановления цепи, ток не течет до тех пор, пока на анод-управляющий вывод снова не подадут напряжение.
• После снятия напряжения (оно меньше чем отпирающее) тиристор сразу переходит в состояние «закрыто».

Так что в схемах постоянного тока есть два варианта использования тиристора — с удержанием открытого состояния и без. Но чаще применяют по первому типу — когда он остается открытым.

Принцип работы тиристора в схемах переменного напряжения отличается. Там возвращение в запертое состояние происходит «автоматически» — при падении силы тока ниже порога удержания. Если напряжение на анод-катод подавать постоянно, на выходе тиристора получаем импульсы тока, которые идут с определенной частотой. Именно так построены импульсные блоки питания. При помощи тиристора они преобразуют синусоиду в импульсы.

Проверка работоспособности

Проверить тиристор можно либо при помощи мультиметра, либо создав простенькую проверочную схему. Если при прозвонке иметь перед глазами технические характеристики, можно заодно проверить сопротивление переходов.

Прозвонка мультиметром

Для начала разберем прозвонку мультиметром. Переводим прибор в режим прозвонки.

Обратите внимание, что величина сопротивления у разных серий разная — на это не стоит обращать особого внимания. Если хотите проверить и сопротивление переходов, посмотрите в технических характеристиках.

На рисунке представлены схемы испытаний. Крайний справа рисунок — усовершенствованный вариант с кнопкой, которую устанавливают между катодом и управляющим выводом. Для того чтобы мультиметр зафиксировал протекающий по цепи ток, кратковременно нажимаем на кнопку.

При помощи лампочки и источника постоянного тока (батарейка тоже пойдет)

Если мультиметра нет, можно проверить тиристор при помощи лампочки и источника питания. Подойдет даже обычная батарейка или любой другой источник постоянного напряжения. Вот только напряжение должно быть достаточным для того, чтобы засветить лампочку. Потребуется еще сопротивление или обычный кусок проволоки. Из этих элементов собирается простая схема:

• Плюс от источника питания подаем на анод.
• К катоду подключаем лампочку, второй ее вывод подключаем к минусу источника питания. Лампочка не горит, так как термистор заперт.
• Кратковременно (при помощи куска проволоки или сопротивления) соединяем анод и управляющий вывод.
• Лампочка загорается и продолжает гореть, хотя перемычка убрана. Термистор остается в открытом состоянии.
• Если выкрутить лампочку или выключить источник питания, то лампочка, естественно, погаснет.
• Если восстановить цепь/питание, она не загорится.

Заодно с проверкой, эта схема позволяет понять принцип работы тиристора. Ведь картинка получается очень наглядной и понятной.

Виды тиристоров и их особые свойства

Полупроводниковые технологии все еще разрабатываются и совершенствуются. За несколько десятилетий появились новые разновидности тиристоров, которые имеют некоторые отличия.

• Динисторы или диодные тиристоры. Отличаются тем, что имеют только два вывода. Открываются подачей на анод и катод высокого напряжения в виде импульса. Называют еще «неуправляемые тиристоры».
• Тринисторы или триодные тиристоры. В них есть управляющий электрод, но управляющий импульс может подаваться:
  • На управляющий выход и катод. Название — с управлением катодом.
  • На управляющий электрод и анод. Соответственно — управление анодом.

Есть также разные виды тиристоров по способу запирания. В одном случае достаточно уменьшения анодного тока ниже уровня тока удержания. В другом случае — подается запирающее напряжение на управляющий электрод.

По проводимости

Мы говорили, что проводят тиристоры ток только в одном направлении. Обратной проводимости нет. Такие элементы называют обратно-непроводящие, но существуют не только такие. Есть и другие варианты:

• Имеют невысокое обратное напряжение, называются обратно-проводящие.
• С ненормируемой обратной проводимостью. Ставят в схемах, где обратное напряжение возникнуть не может.
• Симисторы. Симметричные тиристоры. Проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры могут работать в режиме ключа. То есть при поступлении импульса управления подавать ток на нагрузку. Нагрузка, в этом случае, рассчитывается исходя из напряжения в открытом виде. Надо также учитывать наибольшую рассеиваемую мощность. Вот в этом случае лучше выбирать металлические модели в виде «летающей тарелки». К ним удобно приделывать радиатор — для более быстрого охлаждения.

Классификация по особым режимам работы

Еще можно выделить следующие подвиды тиристоров:

• Запираемые и незапираемые. Принцип работы тиристора незапираемого немного другой. Он находится в открытом состоянии когда плюс приложен к аноду, минус — на катоде. Переходит в закрытое состоянии при смене полярности.
• Быстродействующие. Имеют малое время перехода из одного состояния в другое.
• Импульсные. Очень быстро переходит из одного состояние в другое, используется в схемах с импульсными режимами работы.

Основное назначение — включение и выключение мощной нагрузки при помощи маломощных управляющих сигналов

Основная область использования тиристоров — в качестве электронного ключа, служащего для замыкания и размыкания электрической цепи. В общем много привычных устройств построены на тиристорах. Например, гирлянда с бегущими огнями, выпрямители, импульсные источники тока, выпрямители и многие другие.

Характеристики и их значение

Некоторые тиристоры могут коммутировать очень большие токи, в этом случае их называют силовыми тиристорами. Они изготавливаются в металлическом корпусе — для лучшего отвода тепла. Небольшие модели с пластиковым корпусом — это обычно маломощные варианты, которые используют в малоточных схемах. Но, всегда есть исключения. Так что для каждой конкретной цели подбирают требуемый вариант. Подбирают, понятное дело, по параметрам. Вот основные:

Есть еще динамический параметр — время перехода из закрытого в открытое состояние. В некоторых схемах это важно. Может еще указываться тип быстродействия: по времени отпирания или по времени запирания.

Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники началось в 1953 г. когда стало возможным получение кремния высокой чистоты и формирование кремниевых дисков больших размеров. В 1955 г. был впервые создан полупроводниковый управляемый прибор, имеющий четырёхслойную структуру и получивший название "тиристор".

Он включался подачей импульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивается снижением протекающего через него прямого тока до нуля, для чего разработано множество схем индуктивно-ёмкостных контуров коммутации. Они не только увеличивают стоимость преобразоваеля, но и ухудшают его массо-габаритные показатели,снижают надёжность.

Поэтому одновременно с созданием тиристора начались исследования, направленные на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Главная проблема состояла в обеспечении быстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях.

Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn Off (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры.

В середине 90-х годов был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшем развитием GTO-технологии.

Тиристоры GTO

Устройство

Запираемый тиристор - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическая четырёхслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 1 приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) выключаемого тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод K, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоёв с n- и р-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределённых по площади и соединённых 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), также равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределённые сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.

Основное исполнение тиристоров GTO таблеточное с четырёхслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.

Принцип действия

В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.

На схематичном разрезе тиристорной структуры (рис. 1,б) нижний вывод структуры анодный. Анод контактирует со слоем p.Затем снизу вверх следуют: базовый слой n, базовый слой p (имеющий вывод управляющего электрода), слой n, непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре слоя образуют три p-n перехода: j1 между слоями p и n; j2 между слоями n и p;j3 между слоями p и n.

Фаза 1 - включение. Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом. Переходы j1 и j3 смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Всё напряжение прикладывается к среднему переходу j2, который смещается в обратном направлении. Около перехода j2 образуется зона, обеднённая носителями зарядов, получившая название- область объёмного заряда. Чтобы включить тиристор GTO, к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение положительной полярности U G (вывод "+" к слою p). В результате по цепи протекает ток включения I G .

Запираемые тиристоры предъявляют жёсткие требования к крутизне фронта dIG/dt и амплитуде IGM тока управления. Через переход j3, кроме тока утечки, начинает протекать ток включения I G . Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя n в слой p. Далее часть из них будет перебрасываться электрическим полем базового перехода j2 в слой n.

Одновременно увеличится встречная инжекция дырок из слоя p в слой n и далее в слой p, т.е. произойдёт увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов.

Cуммарный ток, проходящий через базовый переход j2, превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носители зарядов будут свободно переходить через все его четыре области.

Фаза 2 - проводящее состояние. В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе управления I G , если ток в цепи анода превышает величину тока удержания. Однако на практике для того, чтобы все структуры выключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, всё же необходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурного режима. Таким образом, всё время включения и проводящего состояния система управления формирует импульс тока положительной полярности.

В проводящем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают равномерное движение носителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок - в обратном направлении). Через переходы j1, j2 протекает анодный ток, через переход j3 - суммарный ток анода и управляющего электрода.

Фаза 3 - выключение. Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения U T (см. рис. 3) к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности UGR. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведёт к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое p. Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой p из базового слоя n, и электронов, поступивших в этот же слой по управляющему электроду.

По мере освобождения от них базового перехода j2 тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока I Т тиристора за короткий промежуток времени до небольшой величины I ТQT (см. рис. 2). Сразу после запирания базового перехода j2 начинает закрываться переход j3, однако за счёт энергии, запасённой в индуктивности цепей управления он ещё некоторое время находится в приоткрытом состоянии.

Рис. 2. Графики изменения тока анода (iT) и управляющего электрода (iG)

После того, как вся энергия, запасённая в индуктивности цепи управления, будет израсходована, переход j3 со стороны катода полностью запирается. С этого момента ток через тиристор равен току утечки, который протекает от анода к катоду через цепь управляющего электрода.

Процесс рекомбинации и, следовательно, выключения запираемого тиристора во многом зависит от крутизны фронта dIGQ/dt и амплитуды I GQ обратного тока управления. Чтобы обеспечить необходимые крутизну и амплитуду этого тока, на управляющий электрод требуется подать напряжение UG, которое не должно превышать величины, допустимой для перехода j3.

Фаза 4 - блокирующее состояние.В режиме блокирующего состояния к управляющему электроду и катоду остаётся приложенным напряжение отрицательной полярности U GR от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток I GR , состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящего через переход j3. Переход j3 смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2 и j3) смещены в обратном направлении и образованы две области пространственного заряда.

Всё время выключения и блокирующего состояния система управления формирует импульс отрицательной полярности.

Защитные цепи

Использование тиристоров GTO, требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массо-габаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.

Назначение любой защитной цепи - ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи СВ (рис. 3) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dUT/dt при выключении тиристора.

Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dIT/dt при включении тиристора. Значения dUT/dt и dIТ/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.

Рис. 3. Схема защитной цепи

Кроме конденсаторов и дросселей, в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающие разряд и заряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DВ, который шунтирует резистор RВ при выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RВ, ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.

Система управления

Система управления (СУ) содержит следующие функциональные блоки: включающий контур, состоящий из схемы формирования отпирающего импульса и источника сигнала для поддержания тиристора в открытом состоянии; контур формирования запирающего сигнала; контур поддержания тиристора в закрытом состоянии.

Не для всех типов СУ нужны все перечисленные блоки, но контуры формирования отпирающих и запирающих импульсов должна содержать каждая СУ. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку схемы управления и силовой цепи выключаемого тиристора.

Для управления работой выключаемого тиристора применяются две основные СУ, отличающиеся способами подачи сигнала на управляющий электрод. В случае представленном на рис. 4, сигналы, формируемые логическим блоком St, подвергаются гальванической развязке (разделение потенциалов), после чего производится их подача через ключи SE и SA на управляющий электрод выключаемого тиристора Т. Во втором случае сигналы сначала воздействуют на ключи SE (включения) и SA (выключения), находящиеся под тем же потенциалом, что и СУ, затем через устройства гальванической развязки UE и UA подаются на управляющий электрод.

В зависимости от расположения ключей SE и SA различают низкопотенциальные (НПСУ) и высокопотенциальные (ВПСУ, рис. 4) схемы управления.

Рис. 4. Вариант цепи управления

Система управления НПСУ конструктивно проще, чем ВПСУ, однако её возможности ограничены в отношении формирования управляющих сигналов большой длительности, действующих в режиме в режиме протекания через тиристор прямого тока, а также в обеспечении крутизны импульсов управления. Для формирования сигналов большой длительности здесь приходится использовать более дорогие двухтактные схемы.

В ВПСУ высокая крутизна и увеличенная длительность управляющего сигнала достигается проще. Кроме того, здесь сигнал управления используется полностью, в то время как в НПСУ его величина ограничивается устройством разделения потенциалов (например, импульсным трансформатором).

Информационный сигнал - команда на включение или выключение - обычно подаётся на схему через оптоэлектронный преобразователь.

Тиристоры GCT

В середине 90-х годов фирмами "ABB" и "Mitsubishi" был разработан новый вид тиристоров Gate Commutated Thyristor (GCT). Собственно, GCT является дальнейшим усовершенствованием GTO, или его модернизацией. Однако, принципиально новая конструкция управляющего электрода, а также заметно отличающиеся процессы, происходящие при выключении прибора, делают целесообразным его рассмотрение.

GCT разрабатывался как прибор, лишённый недостатков, характерных для GTO, поэтому сначала необходимо остановится на проблемах, возникающих при работе GTO.

Основной недостаток GTO заключается в больших потерях энергии в защитных цепях прибора при его коммутации. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике тиристоры GTO коммутируются с частотой не более 250-300 Гц. Основные потери возникают в резисторе RВ (см. рис. 3) при выключении тиристора Т и, следовательно, разряде конденсатора СВ.

Конденсатор СВ предназначен для ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt при выключении прибора. Сделав тиристор не чувствительным к эффекту du/dt, создали возможность отказаться от снабберной цепи (цепи формирования траектории переключения), что и было реализовано в конструкции GCT.

Особенность управления и конструкции

Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение, которое достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, что делает прибор не чувствительным к эффекту du/dt.

GCT в фазах включения, проводящего и блокирующего состояния управляется также, как и GTO. При выключении управление GCT имеет две особенности:

• ток управления Ig равен или превосходит анодный ток Ia (для тиристоров GTO Ig меньше в 3 - 5 раз);
• управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления dig/dt, равной 3000 А/мкс и более (для тиристоров GTO значение dig/dt составляет 30-40 А/мкс).

Рис. 5. Распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении

На рис. 5 показано распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении прибора. Как указывалось, процесс включения подобен включению тиристоров GTO. Процесс выключения отличен. После подачи отрицательного импульса управления (-Ig) равного по амплитуде величине анодного тока (Ia), весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход j3 (между областями p и n). Переход j3 смещается в обратном направлении, и катодный транзистор npn закрывается. Дальнейшее выключение GCT аналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнего ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt и, следовательно, допускает отсутствие снабберной цепочки.

Изменение конструкции GCT связано с тем, что динамические процессы, возникающие в приборе при выключении, протекают на один - два порядка быстрее, чем в GTO. Так, если минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления при выключении GCT составляет 3000 А/мкс, GTO - не превышает 40 А/мкс.

Чтобы обеспечить высокую динамику коммутационных процессов, изменили конструкцию вывода управляющего электрода и соединение прибора с формирователем импульсов системы управления. Вывод выполнен кольцевым, опоясывающим прибор по окружности. Кольцо проходит сквозь керамический корпус тиристора и контактирует: внутри с ячейками управляющего электрода; снаружи - с пластиной, соединяющей управляющий электрод с формирователем импульсов.

Сейчас тиристоры GTO производят несколько крупных фирм Японии и Европы: "Toshiba", "Hitachi", "Mitsubishi", "ABB", "Eupec". Параметры приборов по напряжению UDRM: 2500 В, 4500 В, 6000 В; по току ITGQM (максимальный повторяющийся запираемый ток): 1000 А, 2000 А, 2500 А, 3000 А, 4000 А, 6000 А.

Тиристоры GCT выпускают фирмы "Mitsubishi" и "ABB". Приборы рассчитаны на напряжение UDRM до 4500 В и ток ITGQM до 4000 А.

В настоящее время тиристоры GCT и GTO освоены на российском предприятии ОАО "Электровыпрямитель" (г. Саранск).Выпускаются тиристоры серий ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА-193, ЗТФ-193 (подобен GCT) и др. с диаметром кремниевой пластины до 125 мм и диапазоном напряжений UDRM 1200 - 6000 В и токов ITGQM 630 - 4000 А.

Параллельно с запираемыми тиристорами и для использования в комплекте с ними в ОАО "Электровыпрямитель" разработаны и освоены в серийном производстве быстровостанавливающиеся диоды для демпфирующих (снабберных) цепей и диоды обратного тока, а также мощный импульсный транзистор для выходных каскадов драйвера управления (система управления).

Тиристоры IGCT

Благодаря концепции жёсткого управления (тонкое регулирование легирующих профилей, мезатехнология, протонное и электронное облучение для создания специального распределения контролируемых рекомбинационных центров, технология так называемых прозрачных или тонких эмиттеров, применение буферного слоя в n - базовой области и др.) удалось добиться значительного улучшения характеристик GTO при выключении. Следующим крупным достижением в технологии жёстко управляемых GTO (HD GTO) с точки зрения прибора, управления и применения стала идея управляемых приборов базирующихся на новом "запираемом тиристоре с интегрированным блоком управления (драйвером)" (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)). Благодаря технологии жёсткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем, т.е. до физических возможностей кремния. Не требуется никаких защитных цепей от превышения du/dt. Сочетание с улучшенными показателями потерь мощности позволило найти новые области применения в килогерцовом диапазоне. Мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO, в основном за счёт прозрачной конструкции анода. Новое семейство приборов IGCT, с монолитными интегрированными высоко мощными диодами было разработано для применения в диапазоне 0,5 - 6 МВ*А. При существующей технической возможности последовательного и параллельного соединения приборы IGCT позволяют наращивать уровень мощности до нескольких сотен мегавольт - ампер.

При интегрированном блоке управления катодный ток снижается до того, как анодное напряжение начинает увеличиваться. Это достигается за счёт очень низкой индуктивности цепи управляющего электрода, реализуемой за счёт коаксиального соединения управляющего электрода в сочетании с многослойной платой блока управления. В результате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока 4 кА/мкс. При напряжении управления UGK=20 В. когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходит в блок управления, который имеет в этот момент низкое сопротивление. За счёт этого потребление энергии блоком управления минимизируется.

Работая при "жёстком" управлении, тиристор переходит при запирании из p-n-p-n состояния в p-n-p режим за 1 мкс. Выключение происходит полностью в транзисторном режиме, устраняя всякую возможность возникновения триггерного эффекта.

Уменьшение толщины прибора достигается за счёт использования буферного слоя на стороне анода. Буферный слой силовых полупроводников улучшает характеристики традиционных элементов за счёт снижения их толщины на 30% при том же прямом пробивном напряжении. Главное преймущество тонких элементов - улучшение технологических характеристик при низких статических и динамических потерях. Такой буферный слой в четырёхслойном приборе требует устранения анодных закороток, но при этом сохраняется эффективное освобождение электронов во время выключения. В новом приборе IGCT буферный слой комбинируется с прозрачным анодным эмиттером. Прозрачный анод - это p-n переход с управляемой током эффективностью эмиттера.

Для максимальной помехоустойчивости и компактности блок управления окружает IGCT, формируя единую конструкцию с охладителем, и содержит только ту часть схемы, которая необходима для управления непосредственно IGCT. Как следствие, уменьшено число элементов управляющего блока, снижены параметры рассеяния тепла, электрических и тепловых перегрузок. Поэтому, также существенно снижена стоимость блока управления и интенсивность отказов. IGCT, с его интегрированным управляющим блоком, легко фиксируется в модуле и точно соединяется с источником питания и источником управляющего сигнала через оптоволокно. Путём простого размыкания пружины, благодаря детально разработанной прижимной контактной системе, к IGCT прилагается правильно рассчитанное прижимное усилие, создающее электрический и тепловой контакт. Таким образом, достигается максимальное облегчение сборки и наибольшая надёжность. При работе IGCT без снаббера, обратный диод тоже должен работать без снаббера. Эти требования выполняет высокомощный диод в прижимном корпусе с улучшенными характеристиками, произведённый с использованием процесса облучения в сочетании с классическими процессами. Возможности по обеспечению di/dt определяются работой диода (см. рис. 6).

Рис. 6. Упрощенная схема трёхфазного инвертора на IGCT

Основной производитель IGCT фирма "ABB".Параметры тиристоров по напряжению U DRM: 4500 В, 6000 В; по току ITGQM: 3000 А, 4000 А.

Заключение

Быстрое развитие в начале 90-х годов технологии силовых транзисторов привело к появлению нового класса приборов - биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Основными преимуществами IGBT являются высокие значения рабочей частоты, КПД, простота и компактность схем управления (вследствие малости тока управления).

Появление в последние годы IGBT с рабочим напряжением до 4500 В и способностью коммутировать токи до 1800 А привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1 МВт и напряжением до 3,5 кВ.

Однако новые приборы IGCT, способные работать с частотами переключения от 500 Гц до 2 кГц и имеющие более высокие параметры по сравнению с IGBT транзисторами, сочетают в себе оптимальную комбинацию доказанных технологий тиристоров с присущими им низкими потерями, и бесснабберной, высокоэффективной технологией выключения путём воздействия на управляющий электрод. Прибор IGCT сегодня - идеальное решение для применения в области силовой электроники среднего и высокого напряжений.

Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом

Тиристор представляет собой вид полупроводниковых приборов, предназначенный для однонаправленного преобразования тока (т.е. ток пропускается только в одну сторону).

Схема тиристора

Этот преобразователь имеет два устойчивых состояния: закрытое (состояние низкой проводимости) и открытое (состояние высокой проводимости). Назначение тиристора – выполнение функции электроключа, особенность которого – невозможность самостоятельного переключения в закрытое состояние. Прибор выполняет функции коммутатора разомкнутой цепи и ректификационного диода в сетях постоянного тока. Основным материалом при производстве этого полупроводникового устройства является кремний. Корпус изготавливается из полимерных материалов или металла – для моделей, работающих с большими токами.

Устройство тиристора и области применения

В состав прибора входят 3 электрода:

• анод;
• катод;
• управляющий электрод.

В отличие от двухслойного диода, тиристор состоит из 4-х слоев – p-n-p-n. Оба устройства пропускают ток в одну сторону. На большинстве старых моделей его направление обозначается треугольником. Внешнее напряжение подается знаком «-» на катодный электрод (область с электропроводностью n-типа), «+» – на анодный электрод (область с электропроводностью p-типа).

Тиристоры применяют в сварочных инверторах, блоках питания зарядного устройства для автомобиля, в генераторах, для устройства простой сигнализации, реагирующей на свет.

Принцип работы тиристоров

В специализированной литературе тиристор называется «однооперационным» и относится к группе не полностью управляемых радиодеталей. Он переходит в активное состояние при получении импульса определенной полярности от объекта управления. На скорость активации и последующее функционирование оказывают влияние:

• характер нагрузки – индуктивная, реактивная;
• величина тока нагрузки;
• скорость и амплитуда увеличения управляющего импульса;
• температура среды устройства;
• уровень напряжения.

Переключение из одного состояния в другое осуществляется с помощью управляющих сигналов. Для полного отключения тиристора требуется выполнить дополнительные действия. Выключение осуществляется несколькими способами:

• естественное выключение (естественная коммутация);
• принудительное выключение (принудительная коммутация), этот вариант может осуществляться множеством способов.

При эксплуатации возможны незапланированные переключения из одного положения в другое, которые провоцируются перепадами характеристик электроэнергии и температуры.

Классификационные признаки

По способу управления различают следующие виды тиристоров:

Диодные (динисторы)

Активируются импульсом высокого напряжения, подаваемым на анод и катод. В конструкции присутствуют 2 электрода, без управляющего.

Триодные (тринисторы)

Разделяются на две группы. В первой управляющее напряжение поступает катод и электрод управления, во второй – на анод и управляющий электрод.

Симисторы

Выполняют функции двух включенных параллельно тиристоров.

Оптотиристоры

Их функционирование осуществляется под действием светового потока. Функцию управляющего электрода выполняет фотоэлемент.

По обратной проводимости тиристоры разделяются на:

• обратно проводящие;
• обратно непроводящие;
• с ненормируемым обратным значением напряжения;
• пропускающие токи в двух направлениях.

Основные характеристики тиристоров, на которые стоит обратить внимание при покупке

• Максимально допустимый ток. Эта величина характеризует наибольшее значение тока открытого тиристора. У мощных устройств она составляет несколько сотен ампер.
• Максимально допускаемый обратный ток.
• Прямое напряжение. Этот параметр тиристора равен падению напряжения при максимально возможном токе.
• Обратное напряжение. Характеризует максимально допустимое напряжение на устройстве, находящемся в закрытом состоянии, при котором оно не утрачивает способность выполнять свои функции.
• Напряжение включения. Это наименьшая величина, при которой возможно функционирование тиристора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Равен величине тока, которого достаточно для активации устройства.
• Наибольшая допустимая рассеиваемая мощность.

Проверка тиристора на исправность

Прибор можно проверить несколькими способами, один из них – использование специального самодельного тестера, собираемого по представленной ниже схеме.

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор - это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием - не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод - это контакт с внешним p-слоем, катод - с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы

Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области - эмиттерными, а центральный переход - коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.


К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать - режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения - это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение - это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение - это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток - это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток - ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

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.
Тиристор - не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.