![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Министерство образования и науки украины
- •Тема 1. Введение. Полупроводники. P-n-переход Введение
- •История развития электроники
- •Электропроводность полупроводников (собственная и примесная проводимость)
- •P-n-переход в состоянии термодинамического равновесия
- •P-n-переход под воздействием внешнего напряжения
- •Тема 2. Полупроводниковые диоды
- •Выпрямительные диоды
- •Полупроводниковые стабилитроны
- •Варикапы
- •Тема 3. Транзисторы. Устройство и принцип
- •Устройство биполярного транзистора
- •Принцип действия и схемы включения биполярного транзистора
- •Тема 4. Характеристики и параметры
- •Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов
- •H-параметры транзистора
- •Тема 5. Полевые транзисторы
- •Тема 6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt-транзисторы)
- •Тема 7. Тиристоры
- •Тема 8. Интегральные микросхемы (имс)
- •Элементы и компоненты имс
- •Тема 9. Общие сведения об усилителях и их классификация. Основные параметры и характеристики усилителей
- •Основные технические характеристики усилителей
- •Вопросы согласования усилителей
- •Тема 10. Каскады предварительного усиления Практические схемы ук с оэ, об и ок. Составной эмиттерный повторитель
- •Тема 11. Усилители постоянного тока
- •Дифференциальные усилители
- •Тема 12. Классы усиления
- •Тема 13. Обратные связи в усилителях Принципы обратной связи
- •Виды обратной связи
- •Тема 14. Операционные усилители Общие сведения
- •Основные схемы включения оу
- •Характеристики оу
- •Тема 15. Общие сведения об импульсных устройствах
- •Тема 16. Транзисторный ключ как формирователь импульса
- •Содержание
Тема 7. Тиристоры
Тиристор (от греч. thýra – "дверь" и англ. resistor – "сопротивление") – полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, используемый в качестве управляемого переключателя. Тиристоры, в зависимости от приложенного к ним напряжения и сопротивления внешней цепи, могут находиться в двух устойчивых электрических состояниях: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью).
Основными типами тиристоров являются диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 32 (VS – вентиль включающий, А – анод, К – катод; УЭ – управляющий электрод).
|
а) б) в) г) д) е) |
Рис. 32. Условные обозначения тиристоров: а – динистор; б – однооперационный тиристор (тиристор с управлением по катоду); в – тиристор с управлением по аноду; г – запираемый или выключаемый тиристор (двухоперационный); д – фототиристор; е – симистор (симметричный тиристор) |
Динисторы
(неуправляемые тиристоры) имеют два
вывода от крайних областей структуры
– анод и катод. Структура динистора
показана на рис. 33, ВАХ – на рис. 34. При
подаче прямого напряжения (рис. 33)
p-n-переходы
и
смещаются в прямом направлении, а
p-n-переход
– в обратном. Динистор находится в
закрытом состоянии и все приложенное
к нему напряжение падает на переходе
.
Ток через прибор равен обратному току
перехода
(
на рис. 33, ток утечки
на рис. 34). При повышении напряжения ток
через прибор увеличивается незначительно
до тех пор, пока оно не достигнет значения
напряжения переключения
,
близкого к напряжению пробоя перехода
.
Участок0А
характеристики соответствует закрытому
состоянию динистора.
|
|
Рис. 33. Структура динистора |
Рис. 34. ВАХ динистора |
При
дальнейшем повышении напряжения
происходит пробой перехода
,
ток динистора резко возрастает, напряжение
на переходе
падает и на участкеАБ
положительным приращениям тока
соответствуют
отрицательные приращения напряжения
(дифференциальное
сопротивление динистора на этом участке
становится отрицательным). При некотором
значении тока, равном току удержания
,
напряжение на переходе
становится равным нулю.
Участок
БВ
характеристики соответствует открытому
состоянию динистора. Падение напряжения
на динисторе на этом участке называется
остаточным
.
Выключение динистора осуществляется
путем уменьшения тока до значения ниже
.
Если
к динистору приложено обратное напряжение,
то переход
открыт, а переходы
и
закрыты. Ток через прибор равен обратному
току утечки
.
При увеличении обратного напряжения
происходит пробой переходов
и
и ток динистора резко возрастает (участокГД
характеристики).
При
анализе процесса перехода динистора в
открытое состояние его удобно представить
в виде двух соединенных между собой
транзисторов: p-n-p и n-p-n (рис. 35).
Появившийся ток
первого транзистора является базовым
током для второго и поэтому будет усилен
вторым транзистором в
раз. Коллекторный ток второго транзистора
является базовым током первого, который,
в свою очередь, усиливает его.
|
Рис. 35. Двухтранзисторная модель динистора: а – деление динистора на две структуры; б – схема замещения |
Таким образом, возникает внутренняя положительная обратная связь, которая приводит к появлению участка АБ с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ и практически мгновенному отпиранию динистора.
Ток
перехода
представляет собой сумму трех токов:
,
где
– обратный ток перехода
;
– ток дырок, инжектированных переходом
и достигших перехода
;
– ток электронов, инжектированных
переходом
и достигших перехода
;
и
– коэффициенты передачи тока транзисторов
p-n-p и n-p-n (рис. 35,а).
Переходы
включены последовательно, поэтому токи
переходов и ток
во внешней цепи равны между собой:
.
Тогда из предыдущего выражения получаем:
.
.
,
(6)
где
.
При
ток динистора равен
(динистор закрыт), при
динистор открыт.
Соотношение
(6) описывает ВАХ динистора, так как
параметры
,
и
зависят от напряжения
на переходе
.
Зависимость этих параметров от напряжения
обусловлена умножением носителей заряда
в электрическом поле перехода
,
когда напряжение
близко к напряжению пробоя
.
Коэффициент умножения носителей заряда
при этом равен
.
Для
электронов и дырок в кремнии коэффициент
.
Тринисторы
(управляемые тиристоры) кроме выводов
от крайних областей (анода и катода)
имеют третий управляющий вывод от одной
из средних (базовых) областей (рис. 36,
а).
ВАХ тринистора приведена на рис. 36, б.
Ток перехода
определяется управляющим током
.
Наличие управляющего тока приводит к
тому, что тиристор открывается при
меньшем напряжении переключения.
|
б) |
Рис. 36. Структура (а) и ВАХ (б) тринистора |
При
управляющем токе
ВАХ спрямляется и тринистор сразу
переходит в открытое состояние (в этом
случае ВАХ тринистора представляет
собой ВАХ диода). Обратная ветвь ВАХ
тринистора такая же, как и у динистора.
Симистор (симметричный тиристор) при подаче отпирающего импульса на управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях. ВАХ симистора показана на рис. 37. Симисторы могут использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока.
Запираемый или GTO-тиристор (GTO – Gate-Turn-Off) может быть включен и выключен через управляющий электрод. Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Структура GTO-тиристора показана на рис. 38. Катодный n-слой разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади структуры при выключении прибора. Базовый p-слой, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно.
|
|
Рис. 37. ВАХ симистора |
Рис. 38. Структура запираемого тиристора |
Базовый n-слой выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора. Анодный p-слой имеет шунты (n-зоны), соединяющие n-базу с анодным контактом. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.
Для выключения GTO-тиристора к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности. В базовом p-слое происходит рассасывание основных носителей заряда (дырок, поступивших в p-слой из базового n-слоя) за счет рекомбинации с электронами, поступающими по управляющему электроду.
Использование
GTO-тиристоров требует применения
специальных защитных цепей. Назначение
любой защитной цепи – ограничение
скорости нарастания одного из двух
параметров электрической энергии при
коммутации полупроводникового прибора.
Схема включения защитной цепи показана
на рис. 39. Конденсатор
ограничивает скорость нарастания
прямого напряжения
при выключении тиристора и подключается
параллельно защищаемому прибору.
Дроссель
ограничивает скорость нарастания
прямого тока
при включении тиристора и включается
последовательно с ним. Диод VD шунтирует
резистор
при выключении тиристора VS и заряде
конденсатора
.
Резистор
ограничивает
ток
разряда конденсатора
при включении тиристора VS. Большие
потери энергии в защитной цепи при
коммутации – главный недостаток
GTO-тиристоров. Основные потери возникают
в резисторе
в момент разряда конденсатора
при включении тиристора. Повышение
частоты увеличивает потери, поэтому на
практике GTO-тиристоры коммутируются с
частотой не более 250-300 Гц.
В
середине 90-х годов фирмами ABB и Mitsubishi
был разработан запираемый тиристор с
кольцевым выводом управляющего электрода.
Он получил название Gate-Commutated Thyristor (GCT)
и стал дальнейшим развитием GTO-технологии.
В конструкции GCT удалось отказаться от
снабберной цепи, сделав тиристор
нечувствительным к скорости нарастания
прямого напряжения
.
Основная особенность GCT, по сравнению
с GTO-тиристорами, – быстрое выключение,
которое реализуется при запирании
превращением тиристорной структуры в
транзисторную.
Минимальное
время выключения и блокирующего состояния
для GTO-тиристоров составляет 100 мкс,
для GCT эта величина не превышает 10 мкс.
При выключении управление GCT имеет две особенности:
1) ток
управления
равен или превосходит анодный ток
(для GTO-тиристоров
меньше в 3-5 раз);
2) управляющий
электродобладает
низкой индуктивностью, что позволяет
достичь скорости нарастания тока
управления
,
равной 3000 А/мкс и более (для GTO-тиристоров
значение
составляет
30-40 А/мкс).
Распределение
токов в GCT при выключении показано на
рис. 40. После подачи отрицательного
импульса управления
весь проходящий через прибор прямой
ток отклоняется в систему управления
и достигает катода, минуя переход
.
В дальнейшем выключениеGCT
аналогично выключению биполярного
транзистора типа p-n-p.
Создание IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) – запираемого тиристора с интегрированным блоком управления (драйвером) – следующий шаг в развитии GTO-технологии. В этих приборах используется концепция "жесткого" управления. Работая при "жестком" управлении тиристор переходит при запирании из p-n-p-n-состояния в p-n-p-режим за 1 мкс. Скорость выключаемого тока достигает 4 кА/мкс. Использование буферного слоя на стороне анода позволило снизить толщину прибора на 30 % при том же пробивном напряжении. За счет так называемой "прозрачной" конструкции анода мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO-тиристорами. Характеристики современных мощных силовых ключей приведены в табл. 1.
Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей
Тип прибора |
Преимущества |
Недостатки |
Область применения |
SCR (Silicon-Controlled Rectifier) – традиционный тринистор
|
Самые низкие потери во включенном состоянии. Самая высокая перегрузочная способность. Высокая надежность. Легко соединяются параллельно и последовательно. |
Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота. |
Привод постоянного тока, мощные источники питания, сварка, плавление и нагрев, статические компенсаторы, ключи переменного тока |
GTO |
Способность к управляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способность. Возможность последовательного соединения. Рабочие частоты – до 250 Гц при напряжении до 4 кВ. |
Высокие потери во включенном состоянии. Очень большие потери в системе управления. Сложные системы управления. Большие потери на переключение. |
Электропривод, статические компенсаторы, системы бесперебойного питания, индукционный нагрев |
IGCT |
Способность к управляемому запиранию. Перегрузочная способность та же, что и у GTO. Низкие потери во включенном состоянии, на переключение. Рабочая частота – до единиц кГц. Встроенный блок управления (драйвер). Возможность последовательного соединения. |
Не выявлены из-за отсутствия опыта эксплуатации |
Мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока), электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения) |
IGBT |
Способность к управляемому запиранию. Самая высокая рабочая частота – до 10 кГц. Простая неэнергоемкая система управления. Встроенный драйвер. |
Очень высокие потери во включенном состоянии |
Электропривод, системы бесперебойного питания, статические компенсаторы и активные фильтры, ключевые источники питания |