Тиристоры

Тиристоры – определение, виды, условное обозначение и принцип работы

Тиристор – силовой полупроводниковый прибор с частичным управлением, имеющий два устойчивых состояния – закрытое (не проводит ток) и открытое (проводит ток). Частичное управление заключается в том, что управляющий импульс переводит тиристор в проводящее состояние, а закрывается он только при уменьшении тока в силовой цепи ниже некоторого значения. Иными словами тиристор можно включить, но нельзя выключить. Переход тиристора в проводящее состояние происходит лавинообразно: он имеет S-образную вольтамперную характеристику с областью отрицательного дифференциального сопротивления, схожей по форме с областью пробоя для газоразрядных приборов. Как и во всех лавинообразных процессах в коммутации тиристора присутствует положительная обратная связь (как петля удавка – чем сильнее тянешь – тем сильнее затягивается).

По структуре тиристоры делятся на:

- тиристоры - однополярные приборы с одним управляющим электродом с управлением относительно катода или относительно анода;

- симисторы (двунаправленные приборы с одним управляющим электродом (управление осуществляется относительно одного из электродов);

- динисторы - одно- или двунаправленные неуправляемые приборы двухвыводные приборы переходящие в проводящее состояние после превышения приложенного напряжения определенной величины (двуполярный динистор называется диак).

Внутренняя структура тиристоров описана в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.].

Условное обозначение тиристоров различной структуры представлено на рисунке VS.1.

Механизм возникновения положительной обратной связи следует из эквивалентной схемы тиристора (рисунок VS.2).

Структура тиристора такова, что ток коллектора одного транзистора является током базы другого. При этом реализуется принцип «удавки» - с подачей напряжения на управляющий электрод появляется ток в цепи база-эмиттер нижнего n-p-n транзистора. При этом начинает протекать ток в цепи коллектора величина которого больше тока управления в h_FE1 раз (коэффициент усиления по току нижнего транзистора). Этот усиленный ток в свою очередь протекает по цепи эмиттер-база верхнего транзистора в цепи коллектора которого начинает протекать ток усиленный еще в h_FE2 раз (коэффициент усиления по току верхнего транзистора). Таким образом, к току управления «втекающего» в цепь базы нижнего транзистора добавляется еще дополнительное «эхо» - начальный ток усиленный в h_FE1· h_FE2 раз который тоже усиливается. Это несколько упрощенное «пошаговое» описание процесса, в реальности процесс лавинообразного усиления тока протекает непрерывно до тех пор, пока ток через структуру не станет равным току внешней цепи. Все выглядит очень красиво. Но есть одна проблема – включить тиристор с помощью цепи управления можно. Выключить нельзя. По крайней мере, обычный тиристор. Выключают тиристор, прерывая внешний ток. Это легко реализуется в цепях переменного тока, в которых направление протекающего тока регулярно сменяется от периода к периоду. И реализуется сложно в условиях постоянного тока. Об этом написаны многочисленные книги, однако в современных условиях это теряет свою актуальность поскольку в области средних мощностей бал уже правят IGBT-транзисторы, а в области высоких мощностей (и напряжений) – запираемые тиристоры.

Вольт-амперная характеристика тиристора

Вольт-амперная характеристика тиристора изображена на рисунке VS.3. Видно, что при отсутствии управляющего тока при увеличении напряжения на тиристоре он остается выключенным и через него протекает только ток утечки I_D. При наличии управляющего тока I_GTпроисходит переход тиристора в проводящее состояние. При этом, чем больше управляющий ток I_GT, тем при меньшем напряжении катод-анод происходит включение транзистора. Включение тиристора приводит к резкому росту току через него и уменьшению напряжения на нем. С уменьшением тока через тиристор при отсутствии управляющего сигнала ток через тиристор прекращается после снижения тока ниже тока удержания тиристора I_H (Holding current). С уменьшением тока через тиристор при наличии управляющего сигнала ток через тиристор прекращается после снижения тока до более низкого уровня - ниже тока фиксации тиристора I_L (Latching current). Вольт-амперная характеристика включения и выключения тиристора имеет S-образную форму. При приложении обратного напряжения к тиристору (обратная ветвь ВАХ) напряжение пробоя V_Z уменьшается с увеличением тока управления.

Области применения тиристоров

Типовыми областями применения тиристора являются:

- управляемые выпрямители;

- регуляторы мощности (переменного тока);

- коммутаторы в сетях переменного тока (электронный ключ);

- преобразователи (сравнительно низкочастотные – не более 10-20 кГц);

- схемы защиты.

Параметры тиристора

1. Максимальное на выключенном тиристоре V_DRM (Repetitive peak off-state voltages) – максимальное (импульсное) напряжение между катодом и анодом тиристора.

2. Среднеквадратичное значение тока I_T(RMS) (RMS on-state current) – максимальное среднеквадратичное значение постоянно протекающего тока через тиристор.

3. Максимальный однократный пиковый ток I_TSM (Non-repetitive peak on-state current) – максимальное значение пикового однократного тока через тиристор.

4. Параметр энергии защитных цепей I²t – (I²t for fusing) – параметр I²t для выбора плавких вставок предохранительных цепей.

5. Скорость роста тока после коммутации dI_T/dt – (Repetitive rate of rise of on-state currentafter triggering) – номинальное (точнее максимальное, поскольку быстрее не откроется) значение скорости роста тока через тиристор после коммутации.

6. Максимальный импульсный ток управляющего электрода I_GM (Peak gate current) – максимальный импульсный ток через управляющий электрод тиристора.

7. Максимальное управляющее напряжение V_GM (Peak gate voltage) – максимальное импульсное напряжение между управляющим электродом и катодом тиристора (иногда анодом, если управление относительно анода).

8. Максимальное пиковое значение мощности управления P_GM (Peak gate power) – максимальная импульсная мощность управления тиристором.

9. Максимальное значение средней мощности управления P_G(_AV₎(Average gate power) – максимальная рассеиваемая средняя мощность управления тиристором.

10. Максимальная температура кристалла T_j (Operating junction temperature) – максимальная рабочая температура кристалла тиристора.

11. Ток включения тиристора I_GT (Gate trigger current) – пороговое величина тока через управляющий электрод при котором происходит включение тиристора.

12. Ток фиксации тиристора при наличии управляющего сигнала I_L (Latching current) – минимальная величина тока через катод и анод тиристора при которой тиристор еще остается в проводящем состоянии при наличии сигнала на управляющем электроде тиристора. Если ток становится меньше данной величины, то тиристор переходит в непроводящее состояние.

13. Ток удержания тиристора при отсутствии управляющего сигнала I_H (Holding current) – минимальная величина тока через катод и анод тиристора при которой тиристор еще остается в проводящем состоянии при отсутствии сигнала на управляющем электроде тиристора. Если ток становится меньше данной величины, то тиристор переходит в непроводящее состояние.

14. Падения напряжения на тиристоре V_T (On-state voltage) - величина падения напряжения на тиристоре во включенном состоянии. Обычно указывается при конкретном значении тока через ключ.

15. Прямой ток утечки I_D (Off-state leakage current) – ток утечки через закрытый тиристор при прямом напряжении – рабочая ветвь.

16. Обратный ток утечки I_R (Reverse leakage current) – ток утечки через закрытый тиристор при обратном напряжении.

17. Максимально допустимая скорость нарастания напряжения на тиристоре dV_D/dt (Critical rate of rise of off-state voltage) – пороговая скорость нарастания напряжения между катодом и анодом тиристора, выше которой происходит переход (самопроизвольный) тиристора в проводящее состояние.

18. Время задержки включения t_gt (Gate controlled turn-on time) – время задержки включения тиристора после подачи импульса управления.

19. Время задержки выключения t_g (Circuit commutated turn-off mode) – время задержки выключения тиристора при управлении с помощью внешней цепи.