7. Принцип действия тиристора

Основу переключателя в управляемого вентиля (тиристора) составляет четырехслойная PNPN-структура, схематическое изображение которой приведено на рисунке 2.1. По аналогии с транзистором средние слои структуры N₁ и Р₂ называются базовыми областями, а крайние слои Р₁ и N₂ – соответственно Р-эмиттером и N-эмиттером. У тиристоров N-эмиттер называется также катодом, а Р-эмиттер анодом. В отличие от переключателей у тиристоров кроме катодного и анодного выводов имеется дополнительный вывод от базовой области структуры, называемый управляющим электродом. Наличие управляющего электрода (УЭ), как это будет показано ниже, позволяет воздействовать на процесс переключения структуры в проводящее состояние и тем самым определяет существенные преимущества тиристоров перед переключателями.

Рассмотрим сначала механизм действия структуры переключателя или, что то же самое, действие структуры тиристора при разомкнутой цепи управляющего электрода. Для этого приложим к структуре внешнее напряжение в прямом направлении, которому соответствует подсоединение положительного полюса источника к области Р₁ а отрицательного - к области N₂. При такой полярности приложения напряжения переходы 1 и 3 смещаются в прямом, а центральный переход 2 - в обратном направлении.

Смещение перехода 2 в обратном направлении обусловливает низкую проводимость всей структуры. Поэтому участок вольт амперной характеристики, соответствующий непроводящему состоянию структуры в прямом направлении (участок 1 на рисунке 2.2), имеет тот же характер, что и характеристика диода в обратном направлении.

Однако при увеличении напряжения смещения до критической величины, называемой напряжением переключения U_(во), взаимодействие всех трех электронно-дырочных переходов обеспечивает переключение структуры в проводящее состояние.

Упрощенный анализ, раскрывающий условие переключения структуры в состояние высокой проводимости, можно провести, используя двухтранзисторную аналогию. Действительно, PNPN - структуру условно можно расчленить (см. рисунок 2.1) на два транзистора NPN и PNP с коэффициентами усиления, соответственно   и  . Используя эти коэффициенты, механизм протекания рекомбинационных токов в структуре можно представить следующим образом.

Положительное смещение крайних переходов 1 и 3 (см. рисунок 2.2) обусловливает инжекцию неосновных носителей заряда в базовые области.

Рисунок 2.1 - Четырехслойная структура со схематическим изображением потоков дырок и электронов

Рисунок 2.2 -Вольт-амперная характеристика тиристора

При этом дырки, инжектированные в область N₁ транзистора P₁N₁P₂ частично рекомбинируют в ней, а частично перебрасываются переходом 2 в базовую область транзистора N₁P₂N₂.

Если обозначить дырочный ток из области Р₁ через I_р, то часть его, достигшая области Р₂, может быть выражена через коэффициент усиления   как I_p·  .

Тогда рекомбинационный дырочный ток базы N₁ будет равен (1-α₂)·I_p. Кроме того, часть дырок уходит из области N₁ за счет дырочной составляющей коллекторного тока I_кр. Аналогично можно представить распределение электронной составляющей тока в условном транзисторе N₁P₂N₂ через его коэффициент усиления. В результате уравнения баланса токов в центральных областях структуры примут вид

 (2.1)   (2.2)

Учитывая, что при диодном включении структуры   а ток коллекторного перехода , из уравнения (2.1) или (2.2) получаем

,

откуда

. (2.3)

Из выражения (2.3) видно, что резкое увеличение тока через структуру, т.е. переключение ее в состояние высокой проводимости, происходит при достижении коэффициентами усиления α₁ и α₂ значений, при которых их сумма приближается к единице.

Отметим, что сами эти коэффициенты, являясь функцией тока через структуру, быстро возрастают лишь при значениях плотности тока, превышающих 10^-3…10^-2 А/см².Поэтому при напряжениях смещения, которым соответствуют меньшие плотности тока, значения коэффициентов малы и структура находится в устойчивом выключенном состоянии. 

При увеличении внешнего напряжения до критического значения взаимное влияние коэффициентов усиления и плотности тока (что равносильно наличию внутренней положительной обратной связи) обеспечивает лавинное нарастание тока через структуру и как следствие - переключение ее в состояние высокой проводимости.

Физическая сущность этого явления заключается в том, что число основных носителей заряда, поступающих за единицу времени в базовые области через центральный переход, становится больше числа носителей, которое может прорекомбинировать в них.

В результате диффузионные процессы начинают преобладать над рекомбинационными и переход 2 смещается в противоположном, по отношению к внешнему напряжению, направлении. При этом сопротивление структуры резко уменьшается и ток, протекающий через нее, ограничивается только сопротивлением внешней цепи.

Из приведенного анализа механизма действия структуры ясно, что для обеспечения ее переключения необходимо каким-либо способом увеличить концентрацию неравновесных носителей заряда в базовых областях. Наряду с уже рассмотренным выше способом, это можно осуществить также нагреванием структуры или отдельных се участков, облучением светом, увеличением емкостного тока утечки центрального перехода, за счет резкого увеличения анодного напряжения, введением носителей с помощью управляющего электрода.

Имея в виду, что анодное напряжение должно быть приложено к структуре в любом случае, каждый из перечисленных способов можно использовать как дополнительно воздействующий фактор. Очевидно, что при одновременном применении двух способов воздействия на структуру напряжение, при котором происходит ее переключение, уменьшается.

Следовательно, изменяя интенсивность действия дополнительного источника зарядов, можно управлять напряжением переключения. На практике для этих целей используются в основном два способа: управление с помощью управляющего электрода (у тиристоров) и управление с помощью света (у фототиристоров). Для осуществления первого способа дополнительный электрод подсоединяется к одной из базовых областей, как это показано на рисунке 2.6.

Если приложить к нему положительное относительно катода напряжение, то увеличением тока основных носителей в базе условного триода N₁P₂N₂ можно произвольно воздействовать на его коэффициент α₁ и, следовательно, на переключение всей структуры.

В полученном ранее уравнении для тока через структуру (2.3) наличие управляющего тока отражается появлением дополнительного члена I_y·α₁ в числителе правой части:

При достаточно большом токе управления переключение структуры происходит при малом напряжении на аноде и участок 2 вольт-амперной характеристики исчезает (рисунок 2.2).

В случае приложения к структуре обратного напряжения центральный переход ее оказывается смещенным в прямом направлении, а два крайних перехода - в обратном. Ток через структуру при этом определяется свойствами наиболее высоковольтного анодного PN-перехода. Практически зависимость обратного тока от напряжения в этом случае в количественно и качественно совпадает с аналогичной зависимостью для неуправляемого вентиля.

На основе рассмотренного выше принципа взаимодействия электронно-дырочных переходов в многослойных структурах создан целый ряд отличающихся по свойствам полупроводниковых приборов.

В частности, на основе пятислойной структуры созданы такие приборы, как симметричный переключатель, симистор, обращенный тиристор. Первые два типа приборов в соответствии со своим названием обладают симметричными вольтамперными характеристиками, т. е. способны переключаться в проводящее состояние в обоих направлениях.

Тиристоры. Характеристики управления

Входная характеристика тиристора определяются свойствами катодного электронно-дырочного перехода 3 (см. рисунок 2.1) и проводимостью прилегающих к нему областейN₂ и Р₂. Она представляет собой зависимость между током и напряжением в цепи «управляющий электрод - катод» в определенном диапазоне температур.

Вследствие причин технологического характера вольт - амперные характеристики одного в того же типа тиристоров имеют большой разброс.

Это вызывает необходимость представить характеризующие цепь управления величины в виде диаграммы, показанной на рисунке 2.10.

На диаграмму наносятся предельные вольт - амперные характеристики управления, соответствующие тиристорам с максимальным (кривая) и минимальным (кривая 2) сопротивлением входной цепи.

Вследствие того, что температурный коэффициент сопротивления управляющей цени положительный, вольт-амперная характеристика для тиристора с R_Gmax снимается при максимально допустимой температуре, а для тиристора с R_Gmin при минимально возможной в условиях эксплуатации температуре. В результате геометрическая область, заключенная между кривыми 1 и 2, содержит в себе все значения напряжений и токов управления, при которых включаются тиристоры данного типа.

Однако для проектирования систем управления тиристорами этой информации еще недостаточно. На диаграмме должны быть отмечены также следующие граничные значения напряжений и токов управления:

-максимально допустимые напряжение U_Gm и ток I_Gm в цепи управления, не вызывающе повреждения тиристора;

-наименьшее значение тока управления I_Gmin, необходимого для переключения тиристора, и напряжение управления U_Gmin, обеспечивающее получение этого тока. Эти параметры определяются обычно при анодном напряжении 12 В и трех значениях температуры полупроводниковой структуры (минимально допустимой, максимальной и комнатной).

На диаграмме значения I_Gmin и U_Gmin , соответствующие всему диапазону температур, находятся в заштрихованной области максимальное значение управляющего напряжения U_GD при котором тиристор не переключается. Так же, как и U_Gmin, не отпирающее напряжение управления определяется для различных температур.

Оно является критерием допустимого уровня помех или остаточного напряжения схемы управления:

-максимально допустимая мощность потерь P_Gm, выделяемая в структуре при длительном протекании тока управления.

Совокупность указанных параметров определяет на диаграмме область надежного включения тиристоров при длительном управлении.

Рисунок 2.10 - Диаграмма управления тиристором

Она расположена между заштрихованной областью и кривой допустимой средней мощности потерь в цепи управления ΔP_G. В диапазоне изменения тока и напряжения управления, соответствующем заштрихованной области диаграммы, включение или не включение тиристоров обусловлено температурой полупроводниковой структуры. Поэтому данная область называется областью возможного (но не гарантированного) включения тиристоров.

Очевидно, что нагрузочная характеристика разрабатываемой системы управления (прямая 3) не должна проходить через заштрихованную область диаграммы.

В схемах тиристорных коммутирующих аппаратов наибольшее применение находит не длительное, а импульсное управление.

Импульсное управление обеспечивает резкое снижение габаритов системы управления, потребляемой мощности, а также способствует улучшению динамических характеристик включения тиристоров. При этом допустимая в импульсе мощность P_Gm повышается по сравнению с допустимой мощностью в цепи управления на постоянном токе. Соотношение между ними в процентах выражается формулой

, (2.9)

где А - длительность импульса управления t_G, выраженная в процентах от периода их следования Т. При частоте изменения тока в силовой цепи 50 Гц Т=20 мс.

Обычно кривые максимально допустимой мощности задаются для значений относительной длительности управляющего импульса, приведенных на диаграмме управления. Следует иметь в виду, что минимально необходимая длительность управляющих импульсов зависит от характера коммутируемой нагрузки. В соответствии с определением параметров I_L, тиристор остается включенным после снятия управляющего сигнала, если ток в анодной цепи его достиг определенного значения.

Если учесть медленный процесс нарастания тока в цепи с большой индуктивностью, это вызывает необходимость в увеличении длительности управляющего сигнала до 200…300 мкс, хотя собственное время включения тиристоров при активной нагрузке не превышает 10 мкс.

Тиристорные выпрямители

Функциональная схема тиристорных выпрямителей для дуговой сварки в обобщенном и упрощенном виде показана на рис. 19.13. Отличительным элементом в приведенной схеме является наличие тиристорного выпрямительного блока. Это дает возможность использовать его в качестве регулятора тока РТ. Благодаря сдвигу по времени управляющего импульса (см. рис. 19.3, б), подаваемого на тиристорный блок, формируют вольт-амперную характеристику выпрямителя и осуществляют его настройку на заданный режим непрерывной или импульсной работы. Для этих целей в схеме источника предусмотрен блок фазоимпульсного управления БФИУ. Через этот же блок замыкаются и обратные связи от дуги на регулятор тока.

Тиристорные выпрямители, как правило, отличаются высокой стабилизацией по напряжению и току дуги при изменениях напряжения питающей сети, длины дуги и температуры окружающей среды.

Рис. 19.13. Функциональная схема выпрямителей дуги с тиристорными регуляторами тока

Получили широкое распространение выпрямители типа ВСВУ-ВСП и ВДУ-ВДГ. В настоящее время это основные выпрямители для дуговой сварки.

В выпрямителях типа ВСВУ - ВСП принцип фазорегулировки заключается в формировании пилообразного напряжения U_c, сравнении его с напряжением управления U_у и последующем формировании прямоугольных импульсов. На рис. 19.14 приведена карта напряжений блока формирования импульсов управления. Невысокие значения напряжения управления U_y = min (вариант а) обеспечивают открытие тиристоров в силовом блоке при α = max. При этом реализуются минимальные выходные параметры источника. Максимальные значения напряжения управления U_у = max (вариант б) соответствуют минимальным углам открытия тиристоров α = min и, соответственно, максимальным выходным параметрам.

Рис. 19.14. Карта напряжений блока формирования импульсов: Uc — пилообразное напряжение; Uу — напряжение управления; U0 — напряжение нс тиристорах

По принципу «вертикального управления» тиристорами разработаны широко известные, выпускаемые в больших количествах выпрямители для дуговой сварки с крутопадающими (серия ВСВУ) и пологопадающими (серия ВСП) вольт-амперными характеристиками. Единая принципиальная электрическая схема этих источников реализована в виде унифицированных блоков.

Принципиальная упрощенная электрическая схема источников питания типа ВСВУ приведена на рис. 19.15, а. Трехфазный трансформатор Т имеет одну первичную обмотку W₁ и две вторичные обмотки W₂ и W_2в. Обмотка W₂ подключена к тиристорному выпрямителю V (RT), выполняющему функции регулятора тока и имеющему нологопадающую вольт-амперную характеристику. От вторичной обмотки W_2в, напряжение подводится к диодному выпрямительному блоку V_в, образующему вспомогательный источник питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой с помощью линейных дросселей L_B. Вспомогательный источник предназначен для зажигания дуги, сварки на малых токах, обеспечивает сигналы обратной связи и др. В процессе сварки дуга питается одновременно от обоих источников. Совмещение двух источников позволило существенно снизить напряжение холостого хода основного источника и сформировать крутопадающие внешние характеристики в области рабочих токов (рис. 19.15, б).

Рис. 19.15. Источники серии ВСВУ: а — принципиальная электрическая схема; б — вольт-амперные характеристики

Источники питания типа ВСП предназначены для механизированной сварки плавящимся электродом. В связи с этим на блок формирования импульсов поступают сигналы с блока регулирования тока и напряжения. Типовые вольт-амперные характеристики источников серии ВСП приведены на рис. 19.16. В диапазоне 30—60 В напряжение регулируется плавно. Для улучшения динамических свойств характеристики изменяют угол ее наклона.

Рис. 19.16. Вольт-амперные характеристики источников серии ВСП

В выпрямителях типа ВДУ блок фазоимпульсного управления тиристорами состоит из трех основных элементов (рис. 19.17, а):

• Узла формирования шестифазного  синусоидального напряжения (7);

• узла формирования постоянного напряжения управления (2);

• узла формирования и усиления управляющих сигналов (3).

Рис. 19.17. Схемы управления тиристорами: а — электрическая; б — формирования положительного сигнала

Напряжение управления Uу представляет собой сумму двух встречновключенных постоянных напряжений: напряжения смещения Uсм и регулируемого напряжения задания U3.

Напряжение смещения служит для стабилизации выходных параметров выпрямителя при колебаниях напряжения сети. Регулируемое напряжение задания представляет собой часть стабилизированного напряжения и изменяется резистором. На рис. 19.17, б показано формирование положительного сигнала, подаваемого на вход узла усиления, и формирование сигнала управления тиристорами при двух различных напряжениях задания U_3l и U₃₂. При изменении U₃ меняются фаза и длительность положительного гш нала на входе узла усиления (α₁ и α₂), что приводит к изменению угла открытия тиристоров и регулированию режима работы источника.

Принципиальная электрическая схема выпрямителей для дуговой сварки типа ВДУ приведена на рис. 19.18, а. Трансформатор Т имеет две вторичные обмотки, соединенные в две обратные звезды через уравнительный реактор L_yp. Тиристоры V₁ — V₆включены в каждую фазу вторичных обмоток. Линейный дроссель L сглаживает пульсации выпрямленного тока и формирует динамические свойства источника. В качестве датчика тока использован магнитный усилитель МУ. Сигнал обратной связи, пропорциональный сварочному току, снимается с резистора R_oc. Внешние типовые вольт-амперные характеристики рассматриваемых выпрямителей приведены на рис. 19.18, б.

Рис. 19.18.  Выпрямители типа ВДУ: а - принципиальная электрическая схема; б - вольт-амперные характеристики.