Файл: 1 Тиристоры.docx

1 Тиристоры

Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более 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. Тиристор является неполностью управляемым прибором. Его можно включить, т.е. перевести в проводящее состояние, сигналом управления, для того чтобы выключить, необходимо обеспечить спад прямого тока до нуля.

Тиристор имеет четырехслойную структуру типа р-п-р-п с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод G рис. 1.1, а, б. Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур типов р-п-р и п-р-п рис. 1.1, в, эквивалентных структурам биполярных транзисторов. Этой структуре соответствует схема замещения, состоящая из транзисторов VT1 и VT2рис. 1.1 г.



Рисунок 1.1 - Тиристор

а — графическое обозначение; б — четырехслойная структура; в — трехслойные структуры; г — эквивалентная схема замещения
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора нелинейная и показывает, что сопротивление тиристора отрицательное дифференциальное. 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 фтористора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала. Тиристор остаётся в открытом состоянии до тех пор, пока протекающий   через него ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис. 1.2.



Рисунок 1.2 - Вольт амперная характеристика тиристора

---

Описание ВАХ:

кривая ВАХ на участке, ограниченном прямоугольником с координатами вершин (0;0) и (V_ВO;I_L ) (нижняя ветвь), соответствует высокому сопротивлению прибора (прямому запиранию прибора);

точка (V_ВO;I_L ) соответствует моменту включения тиристора (переключению динистора во включённое состояние);

кривая ВАХ на участке, ограниченном прямоугольником с координатами вершин (V_ВO;I_L ) и (V_Н;I_Н), соответствует переключению прибора во включённое состояние (неустойчивая область). Судя по тому, что кривая имеет S‑образную форму, можно сделать вывод о том, что сопротивление тиристора отрицательное дифференциальное. Когда разность потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности превысит величину V_ВО, произойдёт отпирание тиристора (динисторный эффект);

кривая ВАХ от точки с координатами (V_Н; I_Н) и выше соответствует открытому состоянию прибора (прямой проводимости);

на графике показаны ВАХ с разными токами управления I_G  (токами на управляющем электроде тиристора): I_G =0; I_G >0; I_G >>0. Чем больше ток I_G, тем при меньшем напряжении V_ВO происходит переключение тиристора в проводящее состояние;

пунктиром обозначена кривая ВАХ, соответствующая протеканию в цепи тока I_G >>0 — так называемого «тока включения спрямления». При таком токе тиристор переходит в проводящее состояние при минимальной разности потенциалов между анодом и катодом. Для перевода тиристора в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления;

кривая ВАХ на участке от V_BR до 0 соответствует режиму обратного запирания прибора;

кривая ВАХ на участке от -∞ до V_BR соответствует режиму обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 1.2 тем, что кривая в третьей четверти графика (слева внизу) повторяет участки из первой четверти (справа вверху) симметрично относительно начала координат.


Рисунок 1.3 - Условные обозначения различных типов тиристоров

а – однополярный тиристор с управлением относительно катода; б – однополярный тиристор с управлением относительно анода; в – однополярный динистор; г – симистор; д - двуполярный динистор (диак)

---

В настоящее время эти приборы получили широкое распространение в преобразователях электрической энергии и бесконтактной пускорегулирующей аппаратуры. К преимуществам тиристоров относятся: большой срок их службы, высокий КПД, малая чувствительность к вибрации и механическим перегрузкам, способность работать при низких (прямых) и высоких (обратных) напряжениях, а также при очень больших токах, достигающих единиц килоампер. Основное свойство тиристора, обеспечивающее ему самые разнообразные применения в автоматике, электронике, энергетике — это способность находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки мегаом, и он практически не пропускает ток при напряжениях порядка единиц тысяч вольт, а в открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно. Падение напряжения на нем около 1В при токах в сотни ампер. Переход тиристора из одного состояния в другое происходит за очень короткое время.

1.2 Типы тиристоров

Существует несколько различных типов тиристоров, некоторые из них разработаны специально для конкретных применений. Большинство из них базируется на четырехслойной тиристорной структуре, но в то же время каждый тип имеет свои специфические особенности.

Базовые тиристоры, обладающие приблизительно равными прямой и обратной блокирующими способностями, подразделяются на два больших класса. Первый класс тиристоров используется в преобразователях для работы при низкой частоте и конструируется таким образом, чтобы обеспечить низкое падение напряжения в открытом состоянии. Однако это приводит к медленному выключению прибора. Второй класс - тиристоры для инверторов или быстродействующие тиристоры. Они конструируются для работы на высоких частотах и характеризуются быстрым временем выключения. В основном такие тиристоры имеют значительно большие падения напряжения в открытом состоянии, чем класс преобразовательных приборов, описанный выше. В дополнение к базовому тиристору существует несколько специальных приборов, характеристики которых приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Типы тиристоров.

Тип тиристора	Особенности его конструкции	Основные, области применения
Фототиристор	Светочувствительный управляющий электрод	Постоянный ток высокого напряжения
Тиристор-диод	Объединение с встречно-параллельным диодом	Электрическая тяга и инверторы
Тиристор с комбинированным выключением	Одновременно принудительная коммутация и выключение по управляющему электроду	Электрическая тяга и инверторы. Электропривод
Запираемый тиристор	Выключение по управляющему электроду (принудительная коммутация не требуется)	Электрическая тяга и инверторы. Электропривод
Тиристор, проводящий в обратном направлении	p-n-p-n конструкция без обратной блокирующей способности	Высокочастотные инверторы и мощные источники питания
Диодный тиристор (динистор)	Управляющий электрод отсутствует, переключение за счет превышения напряжения переключения	Защита тиристоров от перенапряжения
Симистор	Комбинация двух встречно-параллельных тиристоров	Управление мощностью переменного тока, нагревом, освещенностью

---

У фототиристора отсутствует электрический контакт с управляющим электродом и спроектирован он таким образом, чтобы реагировать только на оптический сигнал. Обычно оптический сигнал очень слабый и, следовательно, прибор должен иметь высокий коэффициент усиления. Основной проблемой при конструировании фототиристора является достижение высокого коэффициента усиления при малой чувствительности к эффекту dv/di. В связи с появлением фототиристоров разработчикам оборудования постоянного тока высокого напряжения удается обеспечить высоковольтную изоляцию между тиристором и цепью управления: это требование выполняется при использовании волоконной оптики.

Тиристор, проводящий в обратном направлении, обычно объединяет в одном кристалле быстродействующие тиристор и диод. В преобразователях и импульсных схемах время выключения тиристора должно быть очень малым, чтобы обеспечить функционирование прибора на высокой частоте. Диод соединяется с тиристором для того, чтобы проводить обратный ток. К сожалению, наличие индуктивности у провода между диодом и тиристором может вызвать увеличение схемного времени выключения тиристора. За счет объединения диода и тиристора влияние этой индуктивности исключается и реализуется очень быстрое выключение прибора.

Тиристор с комбинированным выключением имеет электрод, который может быть смещен в обратном направлении в процессе выключения для того, чтобы способствовать удалению накопленного заряда из прибора.

В запираемом тиристоре отсутствует один из главных недостатков базового тиристора. Речь идет о том, что прибор может, как включаться, так и выключаться по управляющему электроду. Это достигается благодаря точной регулировке его коэффициентов усиления и применению распределенного управляющего электрода. Основными областями применения запираемого тиристора являются переключатели и преобразователи для электропривода и других промышленных устройств.

Тиристор, проводящий в обратном направлении, не обладает обратной блокирующей способностью, так как его n-база содержит дополнительный и слой, смежный с переходом Л. Это дает возможность использовать более тонкую n-базу, чем у основного тиристора, примерно на половину тоньше при той же самой блокирующей способности. Поскольку база более тонкая, естественно, уменьшаются потери в открытом состоянии и при коммутации, и происходит более быстрое выключение прибора. Отсутствие обратной блокирующей способности является несущественным моментом для многих областей применения, например в преобразователях, где используется встречно-параллельное соединение диода с тиристором.

---

Диодный тиристор не имеет управляющего электрода и переключается в проводящее состояние, когда приложенное прямое напряжение достигает определенного значения. Такие приборы используются для защиты тиристоров и других компонентов цепей от перенапряжения.

Симистор представляет собой соединение двух встречно-параллельных тиристоров с общим управляющим электродов. Включение такого прибора может происходить путем подачи сигнала управления на управляющий электрод, когда приложено либо положительное, либо отрицательное напряжение. Прибор используется для управления мощностью переменного тока, например, при регулировании яркости света. Симисторы охватывают средний уровень мощности, что обусловлено взаимным влиянием друг на друга составляющих тиристоров. Следует отметить, что при больших уровнях мощности устройства из двух дискретных тиристоров оказываются более эффективными, чем симисторы.

1.3 Динистор

Динистор — это пятислойный полупроводниковый прибор с четырьмя р-n переходами. На рис. 1.4 показано символьное обозначение (а), типовая структура (б) динистора, его двухтиристорного аналога (в), а также вид вольт-амперной характеристики прибора (г).



Рисунок 1.4 – Динистор и его ВАХ

Недостаток тиристора — это то, что он проводит ток только в одном направлении. Динистор является устройством, способным проводить ток в двух направлениях. Эквивалентная схема динистора может быть представлена в виде двух р-п-р-n приборов (тиристоров), соединенных навстречу друг другу (рис. 1.4 в). Когда потенциал положителен относительно электрода МТ1, тиристор 1 смещен в прямом направлении, р-n переходы J₂ и J₄ смещены в прямом направлении, a J₃ — смещен в обратном направлении. Когда величина приложенного напряжения увеличивается, р-n переход J₃ пробивается, и тиристор 1 переходит из состояния высокого импеданса в состояние низкого импеданса. Характеристика этого прибора подобна характеристике тиристрора без управляющего электрода, смещенного в прямом направлении.

Когда потенциал электрода МТ1 положителен относительно электрода МТ2, тиристор 2 смещен в прямом направлении, р-n переходы J₁ и J₃ смещены в прямом направлении a J₂ — в обратном. Когда величина приложенного напряжения увеличивается, р-n переход J

---