1.6 Характеристики і використання сучасних тиристорів

Сьогодні тиристори виготовляють на струми від 1 мА до 10 кА напруги від декількох В до декількох кВ; швидкість наростання в них прямого струму сягає 10⁹ А/сек, напруги - 10⁹ В/сек, час включення складає величини від декількох десятих часток до декількох десятків мкс , час виключення - від декількох одиниць до декількох сотень мкс; кпд досягає 99%.

Сучасні тиристори можуть використовуватись як:

• Електронні ключі

• Керовані випрямлячі

• Перетворювачі (інвертори)

• Регулятори потужності (тріммери)

1.7 Параметри тиристорів

Система параметрів тиристора включає близько 30 величин. Розглянемо найбільш важливі з них.

Напруга включення U_вкл – це пряма анодна напруга, при якій тиристор переходить із закритого у відкритий стан при розімкненому управляючому виводі. Для різних типів тиристорів напруга включення різна – від 10 до 2 500 В.

Основним фактором, що впливає на параметри тиристора, у тому числі і на напругу включення, є зміна часу життя носіїв заряду при зміні температури. З підвищенням температури в робочому діапазоні температур час життя носіїв зростає, що приводить, як і в звичайних транзисторах, до зростання коефіцієнтів передачі струмів. Тому напруга включення з підвищенням температури оточуючого середовища зменшується.

В деяких тиристорів первинним процесом, що приводить до збільшення сумарного коефіцієнта передачі структури тиристора і до перемикання тиристора у відкритий стан, є лавинне множення носіїв заряду в сильному електричному полі колекторного переходу. Напруга включення таких тиристорів збільшується при збільшенні температури, оскільки при цьому зменшується довжина вільного пробігу носіїв заряду.

Струм включення I_вкл – це таке значення прямого анодного струму через тиристор, вище за яке тиристор перемикається у відкритий стан при розімкненому ланцюзі управляючого виводу.

Струм включення зменшується з підвищенням температури у зв'язку зі збільшенням часу життя носіїв заряду і зі збільшенням коефіцієнтів передачі струмів.

Відмикаючий струм управління I_у.вкл – найменший струм в ланцюзі управляючого виводу, який забезпечує перемикання тиристора у відкритий стан при даній напрузі на тиристорі. Відмикаючий струм управління протікає в ланцюзі управляючого виводу, при деякій напрузі управління U_у.вкл, яке необхідно прикласти між управляючим виводом, і виводом від емітерної області, що прилягає до відповідної бази.

З підвищенням температури тиристора через збільшення часу життя носіїв і через відповідне зростання коефіцієнтів передачі струмів відмикаючий струм управління, а отже, і напруга керування зменшуються.

Час затримки t_з – час, протягом якого анодний струм через тиристор зростає до величини 0,1 сталого значення з моменту подачі на тиристор керуючого імпульсу, або час, протягом якого анодна напруга на тиристорі зменшується до 0,9 початкового значення з моменту подачі на тиристор керуючого імпульсу. Обидва значення при чисто активному навантаженні в зовнішньому ланцюзі тиристора.

Час затримки і час включення залежать від управляючого струму зменшуючись зі збільшенням амплітуди імпульсу керуючого струму. Зв'язано це з виникненням великих градієнтів концентрації носіїв в структурі тиристора і, отже, з виникненням великих дифузійних струмів, які забезпечують швидше накопичення нерівноважних носіїв в базових областях тиристора, тобто забезпечують включення тиристора.

Час включення t_вкл – час, протягом якого струм через тиристор зростає до 0,9 сталого значення з моменту подачі на тиристор керуючого імпульсу. Якщо зовнішній ланцюг є чисто активним навантаженням для тиристора, то під час включення тиристора із збільшенням струму відповідно зменшується напруга на тиристорі. Тому час включення в цьому випадку прийнято визначати як час, протягом якого напруга на тиристорі зменшується до 0,1 початкового значення з моменту подачі на тиристор управляючого імпульсу.

Максимально допустима швидкість наростання прямої напруги (du/dt)_max – швидкість наростання прямої анодної напруги, при якій ще не відбувається перемикання тиристора у відкритий стан при відключеному керуючому виводі. Окрім максимально допустимої швидкості наростання прямої напруги використовується інколи інший параметр тиристора – критична швидкість наростання прямої анодної напруги, тобто така мінімальна швидкість наростання прямої анодної напруги, при якій відбувається перемикання тиристора у відкритий стан. Критична напруга, при якій відбувається само включення тиристора, при великих величинах du/dt називають напругою самовключення. Воно менше напруги включення. Тому у всіх випадках для того, щоб виключити помилкове перемикання тиристора, амплітуда напруги, що подається, і швидкість його наростання мають бути менше допустимих значень напруги самовключення і (du/dt)_max.

Максимально допустима швидкість наростання прямого струму (di/dt)_max – швидкість наростання прямого анодного струму через тиристор, що не викликає необоротних процесів в структурі тиристора і пов'язаного з ними погіршення електричних параметрів тиристора. При будь-якому способі включення тиристора процес перемикання починає розвиватися в обмеженому об’ємі, а потім поширюється по всій структурі. Таким чином, відбувається нерівномірний розподіл струму за площею p-n-переходів тиристора. У тиристорах з великою площею p-n-переходів, тобто в потужних тиристорах, весь об’єм структури тиристора може набувати високої провідності інколи лише через декілька десятків мікросекунд з моменту подачі управляючого імпульсу.

При високих швидкостях наростання прямого струму поблизу керуючого електроду (при включенні тиристора за допомогою керуючого струму), густина прямого струму досягає великих значень і може статися локальний розігрів структури до температури плавлення кремнію з подальшим руйнуванням кремнієвої пластинки або з подальшим виходом тиристора з ладу.

Боротися з цим явищем можна двома способами: зробити керуючий електрод розподіленим за всією площею структури тиристора; обмежити швидкість наростання прямого струму шляхом відповідних схемних рішень, наприклад включаючи послідовно з тиристором невелику індуктивність.

Максимально допустимий струм у відкритому стані I_{пр max} – максимальне значення струму у відкритому стані, при якому забезпечується задана надійність тиристора. Для тиристорів різних типів максимально допустимий струм у відкритому стані від 40 мА до 1 000 А. Максимально допустимий струм визначається з умови, що температура будь-якої частини структури тиристора при роботі тиристора не повинна перевищувати допустимого значення (зазвичай 140 °С). Нагрів тиристора під час роботи відбувається через електричні втрати при проходженні прямого струму, струмів витоку в закритому тиристорі, струму в ланцюзі керуючого виводу і від комутаційних втрат.

Залишкова напруга U_пр – значення напруги на тиристорі, що знаходиться у відкритому стані, при проходженні через нього максимально допустимого струму. Залишкова напруга зазвичай не перевищує 2 В.

Струм вимкнення I_вимк – значення прямого струму через тиристор при розімкнутому ланцюзі управління, нижче за яке тиристор вимикається. Залежно від типа тиристора струм вимкнення може бути від декількох міліампер до декількох десятих доль ампера.

З підвищенням температури величина струму вимкнення зменшується у зв'язку зі зростанням часу життя носіїв і збільшенням коефіцієнтів передачі струмів при тих же величинах струму, що проходить через тиристор.

Час вимкнення t_вимк – час від моменту зміни струму, що проходить через тиристор, з прямого на зворотний до моменту, коли тиристор повністю відновить замикаючу здатність в прямому напрямі. Процес вимкнення тиристора пов'язаний зі зникненням надлишкових зарядів нерівноважних носіїв у базових областях унаслідок рекомбінації і відходу нерівноважних носіїв через p-n-переходи. Для прискорення процесу вимкнення в більшості випадків до тиристора прикладають зворотну анодну напругу.

Час вимкнення тиристорів збільшується з підвищенням температури, що також пов'язане зі зростанням часу життя носіїв заряду, з уповільненням процесу рекомбінації нерівноважних носіїв у базових областях тиристора.