13

Тиристоры

4.1. Принцип работы тиристора

Тиристор является четырехслойным прибором. Создается исключительно на основе кремния. Его структура показана на рис. 1а, б (68).

а) рис. 1.

Тиристором называют полупроводниковый прибор, состоящий из четырёх последовательно чередующихся областей с различным типом проводимости и обладающий бистабильной характеристикой. Тиристоры способны управляемо переключаться из одного состояния в другое. В первом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и малый ток (закрытое состояние), в другом - низкое сопротивление и большой ток (открытое состояние).

Структура тиристора показана на рисунке 1б. Она представляет собой четырехслойный р1-n1-р2-n2-прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n-перехода П1, П2 и П3. Оба внешние области называют эмиттерами Э1 Э2, а внутренние области - базами Б1, Б2 тиристора (рис.1а).Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 – коллекторный переход.

Рисунок 3.1 – Структура тиристора

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р- типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 2. В качестве исходного материала выбрана подложка n- типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид p1+ - n1- p2-n2+.

Вольт-амперные характеристики тиристоров представлены на рис. 2 (69).

рис. 2.а

Рис. 2 б

Цепь управляющий электрод-катод (УЭ-К) является диодным переходом. В эту цепь допустимо подавать напряжение и управляющий ток только в направлении проводимости этого перехода. При отсутствии тока управления тиристор не проводит при любом знаке напряжения U_АК, при условии, что это напряжение не превышает допустимых значений. Допустимые значения оговариваются классом прибора. Обратная ветвь ВАХ такая же, как у диода. Подавая ток управления, прямую ветвь можно изменять. Если подается номинальный ток управления, то прямая ветвь ВАХ превращается в диодную. Тиристор является полууправляемым прибором, т.к. снятие тока управления у проводящего тиристора не приводит к восстановлению прямой ветви. Тиристор является ключевым прибором и управляется импульсами тока управления. Переход с характеристики Iупр=0 на характеристику Iупр.ном происходит очень быстро.

Или

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодного тиристора приведенная на рисунке 2, б, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению VG, подаваемому на первый p1-эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который в смещён в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включёны в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n – перехода

Основные параметры тиристоров

1. Класс.

Так же, как и у диода, класс характеризует максимальное повторяющееся напряжение, которое можно прикладывать к прибору как в прямом так и в обратном направлении и при этом он остается в непроводящем состоянии. Uкл=Umax/(1,5…2), Umax=Uпр.maxUобр.max. Классы от 0,5 до 20. Uкл=Кл100 В.

2. Ток прямой номинальный.

Это допустимый средний ток в открытом состоянии. Диапазон токов: 100мА…1000А. Ток оговаривается при естественном и принудительном охлаждении. Принудительное охлаждение потоком воздуха применяется для мощных приборов. При этом оговаривается скорость воздуха.

3. Прямое падение напряжения в открытом состоянии Uпр. откр.

Uпр.откр.=0,8...1,2V.

4. Допустимая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре в прямом направлении du/dt. Параметр du/dt приводится в справочнике. du/dt=100…2000В/мкс. Тиристор имеет паразитные межэлектродные емкости - рис. 3 (70).

рис. 3.

При приложении крутого фронта прямого напряжения может произойти самопроизвольное включение тиристора. Для ограничения du/dt параллельно тиристору подключают конденсатор определенной емкости, как показано на рис. 4 (71).

рис. 4.

Последовательно с конденсатором включают небольшое сопротивление, т.к. при включении тиристора конденсатор разряжается на него и R необходимо для ограничения тока разряда. Диод параллельно R обычно не ставят. Обычно С=0,2…2мкФ, R=10…100ом мощностью до 25Вт. R-C цепь параллельно тиристору можно не ставить, если выбирается тиристор с большим запасом по классу. Это существенно снижает габариты преобразовательного устройства.

5. Допустимая скорость нарастания тока через открытый тиристор di/dt. При включении тиристора средней и большой мощности ток вначале начинает концентрироваться около управляющего электрода, а затем распределяется по всей полупроводниковой структуре. Концентрация тока, нарастающего с большой скоростью около управляющего электрода, может привести к прожогу структуры. Если di/dt ограничено, то ток успевает распределиться по структуре и разрушения полупроводника не будет. Для ограничения di/dt последовательно с тиристором включается индуктивность L. Часто в качестве L выступает индуктивность трансформатора питания.

6. Время включения t_вкл.

Это интервал времени между началом импульса управления и моментом, когда напряжение на тиристоре снизится до 0,1 от напряжения питания. Составляет несколько мкс.

7. Время выключения t_выкл.

Это интервал времени от момента перехода тока анода через ноль до момента приложения к нему прямого напряжения, не вызывающего его отпирания. В несколько раз больше времени включения. Для приборов средней мощности t_выкл=50…300мкс.

8. Ток управления Iупр.

Различают Iупр.длит. и Iупр.имп. Iупр.имп=20…1000мА.

9. Ток удержания Iуд.

Это минимальное значение прямого тока, при котором тиристор остается в открытом состоянии. Обычно IудIупр.длит.

Пример обозначения тиристора: ТХ-100-10-ХХХ. Здесь ТХ - обозначение разработки тиристора, 100 -номинальный ток тиристора в А, 10 -класс тиристора, ХХХ -цифры, регламентирующие параметры du/dt, di/dt, t_выкл.