Тиристор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тиристор (від грец. thyra - вхід, двері) - це напівпровідниковий прилад з трьома (або більше) р-n-переходами, який може знаходитися в одному із двох стійких станів. В одному стані тиристор має високу провідність, в іншому - низьку провідність. Перехід від одного стану до іншого здійснюється під дією зовнішніх сигналів. Тиристори побудовані з використанням таких саме технологій, що і біполярні транзистори, і процеси у тиристорах можна аналізувати як в приладах, що складаються з пар транзисторів. Але на відміну від транзисторів, стан яких на виході повністю визначається вхідним струмом (напругою), тиристор називають приладом з гістерезисом, маючи на увазі, що тиристор залишається в одному із двох своїх станів з різними значеннями опору навіть після зміни зовнішнього збудження у певних межах. У відкритому стані опір тиристора незначний, і він добре проводить електричний струм; у закритому, навпаки, опір тиристора великий, і електричний струм крізь тиристор не проходить. Якщо тиристор увімкнений в коло змінного струму, то він відкривається і пропускає струм у навантаження лише тоді, коли миттєве значення напруги досягає певного рівня напруги вмикання або при подачі імпульсу струму на спеціальний керуючий електрод. Тиристори застосовують у керованих випрямлячах змінного струму й у різних пристроях автоматики як ключовий елемент.

Розрізняють кілька типів конструктивних реалізацій структури тиристорів, які різняться за кількістю виводів, за способом і самою можливістю керування, за способом вимикання:

· диністор (діодний тиристор, міжнародний термін - діод Шоклі (Shockley diode) на честь винахідника цього приладу, Вільяма Шоклі (William Shockley)). Не слідплутати діод Шоклі з діодом Шотткі, який має двошарову структуру метал-напівпровідник.

· симетричний диністор;

· триністор (тріодний тиристор);

· двоопераційний тиристор;

· симістор (симетричний тиристор);

· фототиристор;

· оптотиристор;

· лавинний тиристор;

· швидкодіючі та частотно-імпульсні тиристори з підвищеними динамічними параметрами, які покращують завдяки спеціальним технологіям і змінам геометричних розмірів монокристалічних структур;

· тиристор з польовим керуванням (MOS Controlled Thyristor (MCT)) містить у своєму складі дві додаткові MOS-структури, наявність яких збільшує чутливість приладу до керуючих сигналів;

· та інші.

Диністор складається з чотирьох шарів напівпровідникового матеріалу, тип провідності яких чергується (p-n-p-n-cтруктура), і має два зовнішні електроди (рис. 3.38,а,б)). Диністори виготовляються з кремнію. Область p₁, в яку потрапляє струм із зовнішньої мережі, називають анодом (А), область n₂ - катодом (К). До них через металеві виводи (електроди) вмикають послідовно джерело зовнішньої напруги й опір навантаження . Внутрішні шари n₁ і p₂ називають базами. Концентрації домішок у базових областях значно менші, ніж в аноді та катоді. Структура має три р-n-переходи. Схему заміщення диністора (рис. 3.38,в)) можна представити у вигляді двох транзисторів, сполучених між собою: структура p₁-n₁-p₂ - це один транзистор VТ1, а структура n₁-p₂-n₂ - інший транзистор VТ2 (рис. 3.38,в)). Переходи П₁ і П₃, які межують з емітерами VТ1 і VТ2, називають емітерними переходами, а перехід П₂ є колекторним для обох транзисторів. Колекторний струм VТ1 є струмом бази для VТ2, а колекторний струм VТ2 є струмом бази VТ1. Аналізуючи схему заміщення, бачимо, що струм бази VТ2 знаходиться під контролем транзистора VТ1 і, навпаки.

Рис. 3.38 Диністор: дискретне виконання 2Н102Д (а), умовне позначення (б), структура и схема увімкнення (в); еквівалентна схема (г); вольт-амперна характеристика (д)

За відсутності напруги струм через диністор протікати не буде. Увімкнемо диністор до джерела змінної напруги і проаналізуємо процеси, що відбуваються при подачі прямої напруги: «+» на анод, «-» на катод. Якщо на аноді потенціал незначно збільшиться порівняно з потенціалом катода, то p-n-переходи П₁ і П₃відкриються, в той час як перехід П₂ буде закритим. Через прямо увімкнені переходи інжектуються носії заряду: дірки з області p₁, електрони з області n₂. Дірки, які пройшли через базу n₁, досягають переходу П₂ і переводяться його полем до колектора p₂ транзистора VТ1. Аналогічно, електрони із n₂, які дифундують крізь p₂, досягають переходу П₂ і переводяться його полем у колектор VТ2 - n₁. Дірки, інжектовані із області p₁, і електрони, інжектовані із області n₂, дрейфують через перехід П₂ у протилежних напрямках, створюючи загальний струм. Припустимо, що коефіцієнти передачі струму емітера транзисторів VТ1 і VТ2 мають значення і відповідно. Результуючий струм через перехід П₂ визначається сумою трьох струмів: зворотного струму через перехід П₂ і струмами інжекції емітерних переходів і транзисторів VТ1 і VТ2.

При незначних зовнішніх напругах струми інжекції емітерних переходів малі, і струм мало різниться від . Опори відкритих переходів П₁ і П₃малі, а опір закритого переходу П₂ великий, тому при малих значеннях зовнішньої напруги практично уся вона прикладена до колекторного переходу П₂. Внаслідок малих значень напруг на емітерних переходах інжекція носіїв заряду із емітерів невелика. У цьому випадку струм через диністор малий і дорівнює зворотному струму через перехід П₂.

При збільшенні зовнішньої прямої напруги струм через диністор спочатку незначно збільшується (ділянка 1-2 на ВАХ рис. 3.38,г)). На опір колекторного переходу впливають два взаємно протилежні процеси. З одного боку, збільшення напруги джерела спричинює зростання зворотної напруги на переході П₂, а отже, розширення області переходу і збільшення його опору. З іншого боку, збільшення прямої напруги на емітерних переходах посилює інжекцію основних носіїв (дірок із області анода p₁ в базу n₁ і електронів із катода n₂ до бази p₂), які стають неосновними в базах і знижують потенціальний бар'єр колекторного переходу П₂, тим самим зменшуючи його опір. До точки 2 превалює процес збільшення опору, який все більше уповільнюється внаслідок посилення інжекції. Із зростанням емітерних струмів збільшуються і коефіцієнти їх передачі і . Ділянка 0-2 на ВАХ приладу (рис. 3.38,г)) відповідає закритому стану диністора.

При подальшому збільшенні напруги, у міру збільшення ширини колекторного переходу, все більшу роль починають грати носії заряду, що утворилися внаслідок ударної йонізації у переході П₂. При певному значенні прямої зовнішньої напруги , яке називають напругою вмикання, носії заряду прискорюються настільки, що при зіткненні з атомами у запірному шарі р-n-переходу йонізують їх, викликаючи лавинне розмноження носіїв заряду. Дірки, що утворилися, під впливом електричного поля переходять в область p₂, а електрони - в область n₁. Струм через перехід П₂ збільшується, а опір переходу і спад напруги на ньому зменшуються. Це призводить до підвищення напруги, прикладеної до емітерних переходів, а отже, збільшенню інжекції через них, що викликає подальше зростання колекторного струму і струмів інжекції. Процес протікає лавиноподібно і відбувається вмикання диністора: носії зарядів, що з'явилися в областях структури приладу внаслідок інжекції і лавинного розмноження, призводять до зменшення опору всіх областей структури, а спад напруги на приладі стає незначним. Режиму роботи при зменшенні напруги на приладі, тобто з від'ємним опором на вольт-амперній характеристиці диністора відповідає ділянка 2-3 (рис. рис. 3.38,г)). В момент вмикання диністора і струм збільшується до значення струму вмикання .

Ділянка 3-4 ВАХ диністора на рис. 3.38,г) характеризує увімкнений стан приладу. У цьому стані напруга на колекторному переході пряма внаслідок накопичення великої кількості зарядів поблизу переходу П₂. Транзисторні структури VТ1 і VТ2 знаходяться у режимі насичення. Повна напруга на диністорі складається із трьох невеликих за значенням прямих напруг на відкритих переходах і чотирьох спадів напруг на шарах структури. Кожна з цих напруг складає долі вольта, тому напруга на відкритому диністорі між анодом і катодом не перевищує кількох вольт, а сам прилад має малий опір. Значення струму визначається опором навантаження та напругою зовнішнього джерела . Після вмикання диністора ділянка вольт-амперної характеристики аналогічна ВАХ прямо увімкненого діода. Диністор характеризується максимально допустимим значенням прямого струму (рис. 3.38,г)), при протіканні якого на приладі встановлюється невелика напруга .

Після увімкнення диністор сам себе підтримує в увімкненому стані. Для вимикання диністора необхідно:

· зменшити прямий струм до значення, що не перевищує значення струму утримання , на деякий час, потрібний для розсмоктування неосновних носіїв заряду;

· або зняти пряму напругу чи подати на диністор напругу зворотної полярності.

На рис. 3.39 показані різні способи вимикання диністора. В схемі а) струм в колі диністора переривається, а в схемі б) зменшується до значення після ввімкнення додаткового опору. В схемі в) напруга на диністорі обнулюється, а в схемі г) при замиканні ключа на анод диністора подається напруга протилежної полярності з зарядженого конденсатора. При застосуванні будь-якого з методів вимикання високий опір переходу П₂ відновлюється за час 10-30 (мкс).

Рис. 3.39 Схеми вимикання диністора: розривання анодного кола при активному навантаженні (а), послідовне ввімкнення великого опору (б), шунтування диністора (в), зміна полярності зовнішньої напруги на диністорі (г)

Якщо на анод диністора подана від'ємна щодо катода напруга (ділянка 4-5 на ВАХ рис. 3.38,г)), то емітерні переходи П₁ і П₃ зміщені у зворотному напрямі, а колекторний перехід П₂ відкритий. Через прилад протікає невеличкий зворотний струм. Спад напруги на П₂ незначний. У процесі виготовлення тиристора перехід П₃створюється вузьким, тому майже вся зовнішня зворотна напруга прикладається до переходу П₁. Отже, зворотна вітка ВАХ тиристора являє собою зворотну вітку ВАХ р-n-переходу.

Основні параметри диністорів:

- напруга вмикання , яка становить (20-1000) (В);

- напруга у відкритому стані - напруга між анодом і катодом відкритого диністора для заданого струму приймає значення 1-3 (В);

- максимальне допустиме амплітудне значення зворотної напруги , яке може сягати 1000 (В);

- струм вмикання - мінімальний струм через прилад, який забезпечує перемикання диністора із закритого стану у відкритий і підтримку цього відкритого стану після припинення дії імпульсу прямої напруги;

- максимальне середнє значення прямого струму за заданих умов охолодження , що становить (0,1-2000) (А);

- струм утримання - мінімальний прямий струм (0,01-1) (А) через увімкнений диністор, подальше зменшення якого переводить прилад у стан з високим опором;

- загальна ємність приладу ;

- час увімкнення - інтервал часу між моментом, коли пряма напруга на приладі досягає значення 10% від , і моментом, коли струм через прилад збільшується до , де - значення струму через відкритий диністор в заданому режимі. Час переходу від закритого стану до відкритого становить одиниці мікросекунд;

- час вимикання - інтервал часу між моментом зменшення прямого струму до нуля під час перемикання диністора за колом основних електродів, і моментом, коли напруга на приладі проходить через нульове значення після дії імпульсу основної напруги. Час переходу від відкритого стану до закритого становить десятки мікросекунд, через це диністори можуть працювати лише на порівняно низьких частотах;

- та інші.

Застосовується диністор як ключовий елемент, який вмикається послідовно з навантаженням (рис. 3.40) і перемикається за колом анода. За другим законом Кірхгофа контурне рівняння для отриманого кола має вигляд:

На ВАХ диністора можна побудувати навантажувальну пряму для заданих значень ЕРС джерела і опора навантаження , скориставшись рівнянням (3.22) (рис. 3.40,а)). При змінах значень напруги живлення чи значень лінія навантаження змінює своє розміщення. Робочими точками кола є точки перетину ВАХ диністора і лінії навантаження. У разі розміщення робочої точки на ділянці 0-2, коли напруга на диністорі менша за значення напруги вмикання , струм у колі можна вважати відсутнім. При цьому диністор моделює розімкнений ключ (рис. 3.40,б)). Якщо робоча точка знаходиться в зоні ВАХ, де значення струму великі при малих значеннях напруг (ділянка 3-4 на ВАХ рис. 3.38,г)), то диністор виконує функції замкненого ключа (рис. 3.40,в)). При збільшенні напруги на диністорі від нуля робоча точка переміщується по вітці 0-2. Як тільки напруга на диністорі приймає значення , робоча точка стрибком переміщується із точки у точку . Вимикання диністора шляхом зменшення струму веде до переміщення стрибком робочої точки із у точку .

тиристор диністор анодний навантаження

Рис. 3.40 До пояснення принципу застосування диністора в ключових схемах: лінії навантаження на ВАХ диністора (а); режим роботи диністора з великим опором (б); режим увімкненого диністора (в)

Симетричний диністор (міжнародний термін - Diode for Alternating Current (DIAC)) є різновидом симістора (рис. 3.41,а,б)). У багатьох схемах потрібні прилади, які можна було би вмикати при будь-якій полярності напруги і пропускати струм в обидва напрями. Через те, що симетричний диністор (діак) вмикається при прикладанні між анодом і катодом приладу напруги вмикання як прямої, так і зворотної полярності, виводи елемента називають не анодом і катодом, а силовими виводами (міжнародний термін - Main Terminalіs) (рис. 3.41,б)).

Діак має п'ятишарову структуру з чотирма р-n-переходами (рис. 3.41,в)). Основою симетричного диністора є монокристал напівпровідника, в якому створені п'ятьобластей, тип провідності яких чергується. Металеві контакти до крайніх областей наполовину шунтують перший П₁ і четвертий П₄ p-n-переходи. При полярності зовнішнього джерела напруги, зазначеної на рисунку без дужок, перехід П₁ виявиться зворотно увімкненим, тому через перехід може протікати тільки малий тепловий струм. Увесь струм через напівпровідникову структуру при такій полярності джерела буде протікати через область p₁. Четвертий перехід П₄, навпаки, увімкнений у прямому напрямку і через нього може протікати струм інжекції. Отже, у разі зазначеної полярності джерела робоча структура діака представляє собою p₁-n₂-p₂-n₃-структуру, що аналогічна структурі звичайного диністора. При зміні полярності зовнішньої напруги на протилежну (вказана в дужках) перехід П₄ увімкнено під зворотну напругу, а перехід П₁ - відкритий, тому струм протікає через n₁-p₁-n₂-p₂-структуру у протилежний бік. Таким чином, при різних полярностях зовнішньої напруги частини структури диністора працюють по черзі, причому увімкнення однієї половини веде до шунтування іншої.

Рис. 3.41 Симетричний диністор: дискретне виконання DB4 DO-35 фірми STMicroelectronics з напругою вмикання 35~45V і максимальним струмом 2A (а), умовне позначення (б); структура (в), вольт-амперна характеристика (г); часова діаграма струму у колі АС з DIAC (д)

Функціонування структури аналогічне роботі двох, увімкнених паралельно диністорів. Прилад має вольт-амперну характеристику, яка симетрична відносно початку координат (рис. 3.41,г). У колах односпрямованого струму функціонує як диністор. У колах змінного струму діак відкритий протягом кожного півперіоду, як тільки абсолютне значення прямої або зворотної напруги на приладі перевищує напругу вмикання . Наприклад, на рис. 3.42, д) наведена часова діаграма струму у колі, в якому діє джерело синусоїдної напруги з амплітудним значенням, більшим за . Для використання у колах змінного струму можна з'єднати два протилежно спрямовані диністора паралельно (анод кожного з катодом іншого).

Симетричні диністори ефективно застосовувати у колах змінного струму в якості основних елементів схем перемикачів.

Триністор (тріодний тиристор) (міжнародний термін - Silicon-Controlled Rectifier (SCR)), який частіше називають просто тиристором, є напівкерованим напівпровідниковим приладом. Структура тиристора різниться від структури диністора наявністю виводу від одного із базових шарів (рис. 3.42). Цей вивід називають керуючим електродом.

Рис. 3.42 Триністор: умовне позначення тиристорів з керуванням за анодом (а) і з керуванням за катодом (б); структура тиристора з керуванням за катодом і схема увімкнення в електричне коло (в); дискретні прилади: малопотужні (г) і силові з таблетним і штирьовим конструктивним виконанням (д)

Напругу вмикання тиристора можна зменшити, якщо в коло будь-якої із баз (як правило, це p₂) ввести додаткову кількість носіїв заряду від зовнішнього джерела через керуючий електрод. Залежно від того, яка із баз обрана керуючим електродом, розрізняють тиристори з анодним і катодним керуванням. На рис. 3.42,в) показана схема увімкнення джерела між катодом і керуючим електродом триністора з виводом від бази p₂. Такий триністор називають тиристором з керуванням за катодом, тому що керуючий електрод приєднаний до бази, яка є найближчою до катода триністора. Якщо сформувати імпульс прямої напруги за допомогою джерела , то струм керування доставить у базу p₂ додаткову кількість носіїв заряду, що спричинить лавиноподібний процес вмикання тиристора.

Струм керування збільшує крутість ВАХ приладу на ділянці 1-2 (рис. 3.43,а)), а струм через триністор визначається співвідношенням (3.23):

Таким чином, тиристор можна перевести у провідний стан за наявності двох чинників: створення на аноді позитивного потенціалу відносно потенціалу катода і подавання керуючого сигналу у вигляді струму керування у колі керуючого електрода. Якщо хоча б один з цих факторів відсутній, тиристор буде залишатися у закритому стані. Чим більший струм керування , тим меншим є значення прямої напруга , яку достатньо прикласти між анодом і катодом тиристора для його увімкнення. Регулюючи значення , можна контролювати напругу вмикання і вмикати тиристор без зміни зовнішньої напруги. Цей факт ілюструють вольт-амперні характеристики триністора на рис. 3.43,а), що побудовані для різних значень струмів керування .

Рис. 3.43 Сім'я вольт-амперних характеристик триністора (а), схема увімкнення триністора (б) і еквівалентна схема для пояснення процесу вмикання триністора (в)

Проаналізуємо процес увімкнення тиристора, скориставшись еквівалентною схемою структури, яка складається із двох транзисторів VT1 и VT2, відповідно, p-n-p и n-p-n типів (рис. 3.43,в)). Обидва транзистори увімкнені за схемою зі спільним емітером. При прикладанні прямої напруги між анодом і катодом обидва транзистори закриті через відсутність базових струмів. Після подачі керуючого імпульсу у вхідному колі транзистора VT2 потече струм . Отже, і в колекторному колі транзистора VT2 потече струм , де - коефіцієнт передачі струму бази транзистора VT2. У свою чергу, струм є вхідним струмом бази транзистора VT1, тому з появою струму потече струм у вихідному колі транзистора VT1: . Таким чином, колекторний струм є підсиленим у разів струмом керування, який знову потрапляє на вхід VT2. Розглянутий процес є наслідком внутрішнього додатного зворотного зв'язку у структурі і веде до лавиноподібногонаростання струму в колі тиристора. Процес взаємного підсилення струмів транзисторами продовжується до тих пір, доки обидва транзистора не увійдуть у режим насичення, що відповідає вмиканню тиристора. Після вмикання тиристора прилад сам себе підтримує у відкритому стані завдяки наявності внутрішнього додатного зворотного зв'язку у структурі і джерело керуючих імпульсів виявляться непотрібним.

Найбільше значення напруги вмикання триністор потребує у разі диністорного увімкнення за відсутності струму керування. І навпаки, для певного значення струму керування напруга вмикання має найменше значення. При цьому ділянка з негативним опором на прямій вітці ВАХ повністю зникає, спостерігається спрямленняВАХ тиристора і характеристика наближається до прямої вітки ВАХ звичайного р-n-переходу. Значення струму керування, яке спричинює перехід тиристора на спрямлену ділянку, має назву струм спрямлення . На практиці робоча напруга обирається меншою від максимальної напруги перемикання , яка досягається при , тому за відсутності струму керування тиристор знаходиться у закритому стані. У свою чергу, струм керування зазвичай вибирається більшим, ніж струм спрямлення.

Зворотна вітка вольт-амперної характеристики тиристора за відсутності керуючого струму аналогічна відповідній характеристиці діода. Поява струму керування спричинює незначне збільшення зворотного струму тиристора. У цілому можна вважати, що при зворотній напрузі на приладі струм через тиристор не протікає незалежно від стану керуючого електрода.

Триністор є частково керованим приладом:

· по-перше, тому що після увімкнення тиристора коло керування стає непотрібним і прилад сам себе підтримує у ввімкненому стані;

· по-друге, тому що після увімкнення керуючий електрод губить свої керуючі властивості і вимкнути звичайний тиристор за колом керування неможливо. Звідси назва таких триністорів - одноопераційні тиристори.

Для вимикання одноопераційних тиристорів застосовують такі самі способи вимикання, як і для вимикання диністорів. Для того, щоб вимкнути тиристор, необхідно перервати струм через прилад на короткий проміжок часу, достатній для розсмоктування неосновних носіїв в зонах напівпровідникової структури.

Примітною особливістю тиристора є те, що прилад після перемикання в стан з високою провідністю буде перебувати в цьому стані як завгодно довго навіть після зняття керуючого сигналу. Ця властивість дозволяє включати тиристор за допомогою коротких імпульсів керуючого струму. Якщо тиристор працює у колі змінного струму, то його вимикання відбувається автоматично в момент проходження напруги через нуль.

Основні параметри триністорів подібні до основних параметрів диністорів. Додаються лише параметри, які характеризують коло керування приладом:

- напруга керування - постійна напруга на керуючому електроді, яка забезпечує постійний струм вмикання ;

- струм спрямлення - мінімальний струм через керуючий електрод, який забезпечує виродження характеристики тиристора на характеристику звичайного діода (десятки міліамперів).

Імпульси керування тиристорами обирають короткими з крутими фронтами і тривалістю, більшою за час вмикання тиристора 15-20 (мкс).

Отже, принципових відмінностей між диністорами і триністорами немає, проте якщо включення диністора відбувається при досягненні напруги між виводами анодаі катода певного значення , що залежить від типу даного диністора, то для триністора напруга включення може бути знижена за умови подачі імпульсу струму певноїтривалості та величини на його керуючий електрод при позитивній різниці потенціалів між анодом і катодом. На рис. 3.44 наведені ідеалізовані часові діаграми напруг на диністорі та тиристорі при їх застосуванні як ключових елементів в схемах комутації. Ідеалізація полягає в нехтуванні перехідними процесами в колах під час процесів вмикання й вимикання диністора і тиристора і нехтуванні значенням напруги на відкритих приладах (. Вимикання приладів відбувається у спосіб, що отримав назву природної комутації у колах змінного струму при зменшені напруги мережі живлення до нуля.

Рис. 3.44 Часові діаграми напруг на диністорі (а) та триністорі (б) під час роботи в якості ключових елементів в схемах комутації

Триністори використовуються, здебільшого, як електронні ключі в керованих випрямлячах (§ 5.4) та регуляторах напруги і потужності. Прилади здатні практично без втрат комутувати ланцюги, за якими проходять струми в десятки і навіть сотні амперів. Однак, триністори мають одну суттєву незручність - проводять струм тільки в один бік, що обмежує їхнє використання в колах змінного струму.

Двоопераційний (запірний) тиристор (міжнародний термін - Gate Turn-Off thyristor (GTO)) є повністю керованим напівпровідниковим приладом, який можна не тільки вмикати, але й вимикати за колом керування шляхом подачі коротких імпульсів, полярність яких протилежна полярності імпульсів вмикання. У звичайних тиристорів можна керувати моментом увімкнення, але для їхнього вимикання у колах постійного струму потрібні додаткові елементи вузлів комутації, які збільшують масу тиристорних пристроїв. Для вимикання GTO необхідно подати на той самий керуючий електрод потужний короткотривалий (10-100 мкс) імпульс протилежної полярності зі значенням приблизно 1:5 по відношенню до значення прямого анодного струму через тиристор, що вимикається.

Умовне зображення GTO наведене на рис. 3.45,а). Двоопераційний тиристор має таку ж чотиришарову структуру, як і звичайний тиристор. Основна конструктивна відмінність GTO тиристорів від звичайних полягає в іншому розміщенні горизонтальних і вертикальних шарів з n- і p-типами провідностей: в областяханода і катода прилад складається з великої кількості (сотень) технологічних осередків (рис. 3.45,б)). Таке конструктивне виконання має на меті рівномірне зменшення струму через структуру під час вимикання приладу. Таким чином, уся структура являє собою окремі тиристори, які увімкнені паралельно, з розподіленим керуючим електродом поблизу катода або анода. Розподілений керуючий електрод забезпечує додаткові умови для швидкого розсмоктування носіїв зарядів у базі. В якості еквівалентної схеми для такої структури можна застосувати транзисторний аналог (рис. 3.43,в)).

Рис. 3.45 Двоопераційний тиристор: умовне позначення (а), структура (б); прилади фірми ABB Semiconductors GTO (в) та IGCT (г)

На рис. 3.45,б) показано двоопераційний тиристор, шар катоду n₂ якого розділений на елементарні осередки, які рівномірно розподілені за площею катоду і з'єднані паралельно. Керуючий електрод приєднаний до шару бази p₂, який виконаний єдиним цілим з великою кількістю контактів керуючого електроду, рівномірно розподілених за площею катода і з'єднаних паралельно. Шар бази n₁ виконаний подібно до відповідного шару одноопераційного триністора. У шарі анода p₁ наявні шунти n-типу, які з'єднують базу n₁ з анодним контактом. Шунти призначені для прискорення виведення зарядів із бази n₁ під час вимикання приладу.

Розподілений керуючий електрод ефективно регулює інжекцію з катодного переходу. Додатний керуючий імпульс вмикає тиристор і залишає структуру у провідному стані після припинення дії імпульсу. Для вимикання тиристора GTO при незмінній напрузі між керуючим електродом і катодом прикладається напруга від'ємної полярності. Від'ємний керуючий сигнал достатньої величини і тривалості знижує концентрацію основних носіїв заряду в базі p₂: через керуючий електрод в базу p₂ надходять електрони і відбувається рекомбінація цих електронів з дірками, що надходять із бази n₁. Розсмоктування основних носіїв поблизу колекторногопереходу тиристора спричинює зміщення переходу у зворотному напрямі і зменшення прямого струму через прилад за короткий час. Обидва транзистори VT1 и VT2 починають працювати в активному режимі, причому внаслідок додатного зворотного зв'язку у структурі анодний струм продовжує зменшуватися і транзистор VT2 входить у режим відсічки. Тиристор переходить у стан блокування, коли два переходи П₂ і П₃ зміщені зворотно, а на керуючому електроді діє імпульс від'ємної полярності.

Статичні вольт-амперні характеристики двоопераційних тиристорів подібні до ВАХ одноопераційних з тією різницею, що спади напруги у ввімкненому стані на приладі мають більші значення, а максимальні допустимі значення середнього прямого струму і зворотної напруги , навпаки, менші на 20-30%. Щобблокувати великі зворотні напруги, зустрічно-паралельно до GTO вмикають діод. Двоопераційні тиристори виготовляють, здебільшого, у таблеткових корпусах (рис. 3.45,в)): чотиришарова кремнієва пластина затискується через термокомпенсуючі молібденові диски двома мідними основами, що мають збільшені тепло- та електропровідності. З кремнієвою пластиною контактує керуючий електрод через вивід у керамічному корпусі. Прилад затискується контактними поверхнями між двома половинами охолоджувача, які ізольовані одна від одної і мають конструкцію, що визначається типом системи охолодження. Деякі двоопераційні тиристори виготовляють у штирьових корпусах.

GTO тиристор оптимізовано для низьких втрат у провідному стані. Середній час переходу від увімкненого стану до вимкненого стану і навпаки складає від 10 до 30 (мкс), тому типова частота перемикання приладу - від 200 до 500 (Гц). Тобто двоопераційні тиристори за своєю природою є порівняно повільними ключами. Для роботиGTO тиристорам потрібні кола захисту: при увімкненні - індуктивний реактор, який вмикається послідовно і обмежує швидкість наростання прямого струму; при вимиканні - RC-коло, що увімкнено паралельно, для захисту від швидкості наростанні напруги.

Подальшим вдосконаленням GTO тиристорів, їхньою модернізацію стали прилади Gate Commutated Thyristor (GCT), що були розроблені фірмами «АВВ (AseaBrown Boveri Ltd)» та «Mitsubishi» у 90-х роках. Основною особливістю GCT порівняно з GTO є швидке вимикання, яке було досягнуто завдяки принципово іншій конструкції керуючого електроду та відмінністю процесів, які відбуваються під час вимикання приладу (тиристорна структура перетворюється на транзисторну). На сьогодні GTO виробляють кілька відомих фірм Японії та Європи: «Toshiba», «Hitachi», «Mitsubishi», «АВВ», «Eupec», налагоджено виробництво на ОАО «Электровыпрямитель» (Росія, місто Саранск).

Наступним досягненням в технології GTO стали запірні тиристори з інтегрованим блоком керування (драйвером) - Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) (рис. 3.45,г)). Прилади IGCT не потребують кіл захисту від наростання напруги, мають менші втрати на перемикання (у 5 разів менші порівняно з GTO), а тому можуть працювати у кілогерцовому діапазоні. Розроблені нові IGCT з монолітними інтегрованими високопотужними діодами для застосування у діапазоні 0,5-6 (МВА). IGCT можна з'єднувати послідовно і паралельно, збільшуючи рівень потужності пристроїв до сотень мегавольт-амперів. Основний виробник IGCT фірма «АВВ».

Зауваження. На початку 90-х років швидко з'явився новий клас силових транзисторів - біполярні транзистори з ізольованим затвором - Insulated Gate BipolarTransistors (IGBT). Основними перевагами IGВT є високі значення робочих частот, ККД, простота і компактність схем керування внаслідок малих струмів керування. Поява IGCT з робочими напругами до 4500 (В), здатних комутувати струми до 1800 (А), спричинило витіснення GTO тиристорів у пристроях потужністю до 1 (МВт) і напругою до 3,5 (кВ). Однак, нові прилади IGCT, які здатні працювати з частотами перемикання від 500 (Гц) до 2 (кГц), поєднують у собі оптимальну комбінацію високоефективної технології перемикання, низьких втрат і надійності. На сьогодні прилад IGCT - це ідеальне рішення для застосування в області електроніки середніх і високих напруг.

Основними областями застосування двоопераційних тиристорів є комутаційні та перетворювальні пристрої в електроенергетиці, промисловості та на транспорті. Граничні експлуатаційні параметри приладів силової електроніки:

Симетричний тиристор (симістор) (міжнародний термін - Triode for Alternating Current (TRIAC)) - це напівпровідниковий прилад, який є різновидом тиристорів і призначений для здійснення керованих комутацій у колах змінного струму. Умовне зображення симістор наведене на рис. 3.46,а). Структура симістора подібна до структури діака і різниться лише наявністю керуючого електроду, приєднаного через область напівпровідника n-типу. Симістор відкривається:

· при подачі низьковольтного сигналу на керуючий електрод незалежно від полярності напруги між основними виводами (і забезпечує проходження струму в будь-якому напрямку)

· або в результаті перевищення напруги між основними виводами МТ1 і МТ2 деякої максимальної величини.

Симістор переходить у закритий стан після зміни полярності напруги між виводами МТ1 і МТ2 або у випадку зменшення робочого струму за значення струму утримання.

Існують різні структурні модифікації приладу, які визначають характер керування симістором (імпульсами однієї чи будь-якої полярності). Одна із розповсюджених структур симістора, яка може керуватися як додатними, так і від'ємними імпульсами напруги між затвором і основним виводом МТ1, представлена на рис. 3.46,б).

Рис. 3.46 Симістор: умовне позначення (а), структура (б); еквівалентна схема (в); BTA25-600B-E (600V, 25A; ST Microelectronics) (г), L6004L5-ND (600V, 4A; Teccor Electronics Inc.) (д)

Прилад має три електроди: два силові МТ1 і МТ2 та один керуючий КЕ, причому електрод МТ1 є спільним для силового і керуючого кіл. Особливістю структури є зашунтовані металевими контактами емітерні переходи П₁ і П₄, а також керуючий перехід n₄-p₁. Залежно від полярностей основної і керуючої напруг працює одна із чотирьох структурних частин приладу. Під час роботи симістора на навантаження у колах змінного струму полярності керуючого електрода та основного електрода МТ2, здебільшого, співпадають, тому вольт-амперні характеристики симістора рисують у першому і третьому квадрантах (рис. 3.47).

Рис. 3.47 До пояснення роботи симістора: режими роботи (а), вольт-амперная характеристика (б)

Симетричний триністор характеризують сім'ю вольт-амперних характеристик, симетричних відносно початку координат, що й знайшло відображення у назві приладу. ВАХ симістора аналогічна ВАХ двох триністорів, увімкнених зустрічно-паралельно. Окремі характеристики мають ділянки з від'ємним опором на обох віткахВАХ. Струм керування будь-якого напряму змінює значення напруги вмикання.

Фототиристор (міжнародні терміни - Light Activided SCR (LASCR), Light Triggered Thyristor (LTT)) - це оптоелектронний напівпровідниковий прилад, що маєструктуру, схожу зі структурою звичайного тиристора, але відрізняється від останнього тим, що вмикається не напругою, а світлом, яке падає на тиристорну структуру. У корпусі фототиристора для опромінення однієї із баз світловим потоком є спеціальне прозоре вікно або замість електричного керуючого електрода наявний оптичний вхід для приєднання світловоду (рис. 3.48). Найбільше розповсюдження отримали конструкції з опроміненням бази p₂. При вмиканні тиристора з підвищенням прямої напруги між анодом і катодом відбувається накопичення дірок у базі p₂ і електронів у базі n₁. Процесом накопичення носіїв заряду можна керувати у триністора за допомогою імпульсів, що подаються на керуючий електрод, а у фототиристорів - за допомогою внутрішнього фотоефекту під час опромінення p₂-бази або n₁-бази. Залежно від модифікації фототиристора потік енергії випромінювання може бути використаний замість керуючого електричного імпульсу або разом з ним для вмикання тиристора.

Рис. 3.48 Фототиристор: умовні позначення для різних конструктивних модифікацій (а), структура без керуючого електрода (б); прилади ОАО «Электровыпрямитель» (Росія): ТФ193-2500 (в) і ТФ173-1000 з оптичною розеткою на катоді та підключеним світловодом (г)

Структура фототиристора з опроміненням бази p₂ показана на рис. 3.48,б). Світловий потік потрапляє на область бази і спричинює генерацію носіїв заряду, які дифундують до p-n-переходів. Електрони, які потрапляють в область зворотно зміщеного переходу П₃ (рис. 3.46,б) зменшують його опір. Через перехід П₃ починає протікати фотострум, що спричинює зменшення напруги на переході П₂, а це, в свою чергу, веде до збільшення напруги на емітерних переходах, збільшення інжекції носіїв і розвитку лавиноподібного процесу вмикання тиристора. Таким чином опромінення впливає на рівень напруги , яку потрібно прикласти між анодом і катодом для вмикання приладу. Чим більший світловий потік, тим меншим є значення напруги для вмикання тиристора.

На рис. 3.49 зображена сім'я вольт-амперних характеристик фототиристора, яка аналогічна ВАХ триністора, тільки в якості параметра керування використаний світловий потік.

Рис. 3.49 Вольт-амперная характеристика фототиристора

Фототиристори зазвичай виготовляють з кремнію, і спектральна характеристика у них така сама, як і в інших кремнієвих фоточутливих елементів. Опір фототиристора змінюється від у вимкненому стані до в увімкненому стані. Час перемикання фототиристорів знаходиться у межах .

Деякі моделі фототиристорів керуються тільки світловим потоком і одним з основних параметрів таких приладів є мінімальна світлова потужність керування (PLT), яка необхідна для вмикання приладу. Інші типи фототиристорів мають керуючі виводи до однієї з баз. Для таких приладів значення порогового світлового потоку, який забезпечує гарантоване увімкнення фототиристора, можна змінювати в деяких межах, якщо подавати керуючі електричні імпульси. Інтенсивність світлового потоку для вмикання фототиристора визначається анодною напругою та температурним режимом роботи. Перевагою фототиристорів з керуючим електродом є можливість здійснювати керування двома сигналами водночас - світлом і струмом керування. Для надійного вмикання фототиристорів застосовують випромінювання лазерів і світлодіодів. З фотоелектронним керуванням виготовляють також симетричні диністори і симістори - фотосимістори.

Широко застосовують фототиристори у різних пристроях автоматичного керування і захисту, а також в потужних високовольтних перетворювальних пристроях, оскільки вони дають змогу надійно розв'язати за напругою вихідні кола пристроїв із системами керування. Сучасні тиристор з оптичним керуванням виготовляють наструми від декількох міліамперів до 1000 (А) і напруги від кількох десятків вольт до 6,5 (кВ). Потужність керуючого світлового випромінювання (при довжині хвилі 0,9 мкм) порядку 1-102 (мВт).

Різновидом фототиристорів є оптотиристори (тиристорні оптрони) - прилади які являють комбінації в одному корпусі кремнієвого фототиристора або фотосимістора і випромінювального діода малої потужності, зазвичай ІЧ-діода на основі арсеніду галію (GaAs), який випромінює в інфрачервоному діапазоні 0,9-1,2 (мкм) (рис. 3.50). Два напівпровідникові елементи з'єднані у єдину конструкцію і зв'язані оптичним каналом. Принцип роботи оптотиристора полягає в перетворенніелектричного сигналу на світло випромінювальним діодом, передачі світла по оптичному каналу з подальшим перетворенням знову на електричний сигнал фототиристором. Виводи випромінювального діода у приладі електрично ізольовані від силових виводів. Такі оптопари випускають у корпусах штирьового виконання або у вигляді модульних конструкцій, що мають ізольовану основу.

Рис. 3.50 Тиристорні оптрони: умовне позначення оптрона з фототиристором (а) і фотосимістором (б), оптосимістор Fairchild MOC3021 (б)

Тиристорні оптрони надають найбільші можливості з забезпечення ефективної гальванічної розв'язки інформаційного кола і силового кола, тому дуже зручні для використання в якості комутаторів змінного струму у потужних пристроях з високим рівнем електричних завад. Тиристорні оптрони споживають за входом керування світлодіодом струм близько 1,5 (мА) і комутують у вихідному колі змінні струми, що вимірюються амперами при напругах у сотні вольт. Мале споживання кола керування дає змогу підключати оптрони до виходів мікропроцесорів і мікро-ЕОМ для регулювання струмами у навантаженні. Також оптотиристори використовують для керування більш потужними тиристорами.

Лавинні тиристори виготовляють з високо очищеного кремнію і за технологією, яка забезпечує виникнення лавинного пробою при певних значеннях зворотної напруги в окремих областях структури тиристора (мікроплазмах). В режимі електричного пробою зворотний струм протікає через численні мікроплазми в об'ємі структури і допустима потужність розсіювання виходить досить великою. На відміну від звичайних тиристорів, лавинні тиристори мають лавинну область на зворотній ділянці ВАХ (рис. 3.51).

Рис. 3.51 Вольт-амперная характеристика лавинного тиристора

Лавинні тиристори мають підвищену стійкість до перенапруг і не виходять з ладу при подачі на них великих зворотних напруг. Використання лавинних тиристорів в перетворювальних пристроях дає можливість обійтися без додаткових пристроїв захисту і рівномірного розподілу напруги між послідовно включеними вентилями.

Размещено на Allbest.ru