478

Глава 8. Приборы на основе p-n-p-n структур

8.1. Назначение и типы приборов на основе p-n-p-n структур

Общей чертой приборов на основе p-n-p-n структур является регенеративный процесс открывания и запирания по току, который обусловлен внутренней положительной обратной связью. Эта положительная обратная связь (ПОС) приводит к появлению участка отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ в прямом смещении и эффекта «памяти» устойчивого закрытого и открытого состояний. Отличительной особенностью многослойных полупроводниковых структур является импульсное управление открытым и закрытым состояниями этих приборов в отличие от транзисторов, у которых необходимо поддерживать во времени входные режимы для реализации открытого и закрытого ключа. Это общее свойство четырехслойных и пятислойных структур определило целесообразность использования общего термина «тиристор» для всех приборов переключающего типа на их основе. Для обозначения отдельных представителей семейства тиристоров к этому термину добавляются слова «диодный, триодный, тетродный» (для характеристики числа выводов); «однонаправленный» или «однопроводящий», «двунаправленный» или «двупроводящий» (для определения возможного направления протекания анодного тока); «однооперационный», «двухоперационный» (для характеристики способности управляющего электрода только открывать, либо как открывать, так и запирать ток в анодной цепи); фото-тиристор, МДП-тиристор, оптоэлектронный тиристор и т.д. Однако наиболее часто термином тиристор обозначают родоначальника этого семейства – триодный однонаправленный однооперационный тиристор, который имеет наибольшее практическое значение.

На рисунке 8.1 представлены основные области применения мощных приборов, классифицированные в зависимости от коммутируемой мощности и частоты. На низких частотах при определенных мощностях спектра мощные коммутирующие приборы используются для создания оборудования для высоковольтных линий электропередач постоянного тока, а также компенсаторов реактивной мощности. На высоких частотах при малых мощностях они используются в устройствах управления светом, ультразвуковых генераторах, мощной высокочастотной преобразовательной аппаратуре, коммутирующих источниках питания. Следующей широкой областью применения является электропривод и мощные источники питания. Обычно использование электропривода охватывает диапазон от небольших электродвигателей для бытовой техники до электродвигателей большой мощности для прокатных станов.

Основной областью применения тиристоров является электропривод, мощные источники питания, а также преобразовательные устройства постоянного и переменного тока высокого напряжения (области 1, 2, 3 рисунка 8.1).

Рисунок 8.1 - Диаграмма основных областей применения мощных приборов:

1 – статические компенсаторы реактивной мощности; 2 – электропривод; 3 – мощные источники питания; 4 – коммутирующие мощные источники питания, высокочастотная преобразовательная аппаратура; 5 – световые, ультразвуковые генераторы

Существует несколько различных типов тиристоров, причем некоторые из них разработаны специально для конкретных применений. Большинство из них базируется на четырехслойной тиристорной структуре, но в то же время каждый тип имеет свои специфические особенности. Ниже кратко рассматриваются различные типы тиристоров и области их применения.

Базовые тиристоры, обладающие приблизительно равными прямой и обратной блокирующими способностями, подразделяются на два больших класса. Первый класс тиристоров используется в преобразователях для работы при низкой частоте и конструируется таким образом, чтобы обеспечить низкое падение напряжения в открытом состоянии. Однако это приводит к медленному выключению прибора. Второй класс – это тиристоры для инверторов или быстродействующие тиристоры. Они конструируются для работы на высоких частотах и характеризуются быстрым временем выключения. В основном такие тиристоры имеют значительно большие падения напряжения в открытом состоянии, чем класс преобразовательных приборов, описанный выше. В дополнение к базовому тиристору существует несколько специальных приборов, характеристики которых приведены в таблице 8.1 [21].

У фототиристора отсутствует электрический контакт с управляющим электродом и спроектирован он таким образом, чтобы реагировать только на оптический сигнал. Обычно оптический сигнал очень слабый и, следовательно, прибор должен иметь высокий коэффициент усиления. Основной проблемой при конструировании фототиристора является достижение высокого коэффициента усиления при малой чувствительности к эффекту . В связи с появлением фототиристоров разработчикам оборудования постоянного тока высокого напряжения удается обеспечить высоковольтную изоляцию между тиристором и цепью управления: это требование выполняется при использовании волоконной оптики.

Таблица 8.1. Специальные типы тиристоров

Тип тиристора	Особенности его конструкции	Основные области применения
Фототиристор	Светочувствительный управляющий электрод	Постоянный ток высокого напряжения
Тиристор-диод	Объединение с встречно-параллельным диодом	Электрическая тяга и инверторы
Тиристор с комбинированным выключением	Одновременно принудительная коммутация и выключение по управляющему электроду	Электрическая тяга и инверторы, электропривод
Запираемый тиристор	выключение по управляющему электроду (принудительная коммутация не требуется)	Электрическая тяга и инверторы, электропривод
Тиристор, проводящий в обратном направлении	p-i-n конструкция без обратной блокирующей способности	Высокочастотные инверторы и мощные источники питания
Диодный тиристор, динистор	Управляющий электрод отсутствует, переключение за счет превышения напряжения переключения	Защита тиристоров от перенапряжения
Симистор	Комбинация двух встречно-параллельных тиристоров	Управление мощностью переменного тока, нагревом, освещенностью
МОП-тиристор	Комбинация МОП-транзистора и тиристора	Высокочастотная преобразовательная техника

Тиристор, проводящий в обратном направлении, обычно объединяет в одном кристалле быстродействующий тиристор и диод. В преобразователях и импульсных схемах время выключения тиристора должно быть очень малым, чтобы обеспечить функционирование прибора на высокой частоте. Диод соединяется с тиристором для того, чтобы проводить обратный ток. Наличие индуктивности у провода между диодом и тиристором может вызвать увеличение схемного времени переключения тиристора. За счет объединения диода и тиристора влияние индуктивности исключается и реализуется очень быстрое выключение прибора.

Тиристор с комбинированным выключением имеет электрод, который может быть смещен в обратном направлении в процессе выключения для того, чтобы способствовать удалению накопленного заряда из прибора.

В запираемом тиристоре отсутствует один из главных недостатков базового прибора. Речь идет о том, что прибор может как включаться, так и выключаться по управляющему электроду. Это достигается благодаря точной регулировке его коэффициентов усиления и применению распределенного управляющего электрода. Основными областями применения запираемого тиристора являются переключатели и преобразователи для электропривода и других промышленных устройств.

Тиристор, проводящий в обратном направлении, не обладает обратной блокирующей способностью, так как его n-база содержит дополнительный n⁺-слой, смежный с переходом J1. Это дает возможность использовать более тонкую базу, чем у основного тиристора, – примерно на половину тоньше при той же самой блокирующей способности. Поскольку база более тонкая, естественно, уменьшаются потери в открытом состоянии, и при коммутации происходит более быстрое выключение прибора. Отсутствие обратной блокирующей способности является несущественным моментом для многих областей применения, например в преобразователях, где используется встречно-параллельное соединение диода с тиристором.

Диодный тиристор не имеет управляющего электрода и переключается в проводящее состояние, когда приложенное прямое напряжение достигает определенного значения. Такие приборы используются для защиты тиристоров и других компонентов цепей от перенапряжения.

Симистор представляет собой соединение двух встречно-параллельных тиристоров с общим управляющим электродом. Включение такого прибора может происходить путем подачи сигнала управления на управляющий электрод, когда приложено либо отрицательное, либо положительное напряжение. Прибор используется для управления мощностью переменного тока, например, при регулировании яркости света. Симисторы охватывают средний уровень мощности, что обусловлено взаимным влиянием друг на друга составляющих тиристоров. Следует отметить, что при больших уровнях мощности устройство из дискретных тиристоров более эффективно, чем симистор.

По своей конструкции (рисунок 8.2) МОП-тиристор очень похож на дифузионно-планарный тиристор с МОП-управляющим электродом, выполненным между катодным эмиттером тиристора и n-базой.

Катод УЭ

Рисунок 8.2 - Структура МОП-тиристора

Анод

Прибор во включенном состоянии (МОП-управляющий электрод положительный, катод отрицательный) имеет два рабочих режима. Если его ток ниже тока схватывания тиристора, то вольт-амперная характеристика прибора такая же, как у МОП-транзистора – последовательно включенного прямо смещенного диода. Если же ток превышает ток схватывания тиристора, то прибор обладает свойствами тиристора. В выключенном состоянии прибор функционирует как тиристор, блокирующий прямой и обратный ток.

Тиристорное «подхватывание» нежелательно, поскольку для высокочастотных применений более предпочтительно полное управление с помощью управляющего электрода. Для предотвращения эффекта схватывания надежно шунтируется катодный эмиттер (рисунок 8.2); используется усиленное легирование в области р-базы, что приводит к значительному снижению коэффициента передачи n-p-n-транзистора. Такая структура носит название IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором).

Следующая проблема при конструировании этих приборов заключается в том, что из-за инжекции неосновных носителей из р-анода его время выключения превышает время выключения МОП-транзистора. Это обусловлено наличием анодного р-эмиттера, который, в свою очередь, приводит к снижению падения напряжения в открытом состоянии, поскольку как в обычном тиристоре падение напряжения в n-базе снижается благодаря модуляции проводимости за счет инжектированных дырок.

Эта проблема решается так же, как и в случае быстродействующих тиристоров посредством снижения времени жизни, например, за счет их облучения электронами. Без регулирования времени жизни носителей заряда время выключения находится в пределах от 10 до 20 мкс, а при облучении электронами оно снижается до 100 нс. Однако при сильном облучении возрастание падения напряжения в открытом состоянии становится значительным. Несмотря на увеличенное падение напряжения, МОП-тиристоры имеют гораздо лучшие характеристики в открытом состоянии, чем мощные МОП-транзисторы.

Многие основные характеристики тиристоров связаны друг с другом, например, быстро включаемый тиристор имеет значительно большее падение напряжения в открытом состоянии, чем низкочастотный тиристор. Конструкторы приборов поэтому должны стремиться оптимизировать характеристики приборов таким образом, чтобы тиристоры имели более широкий рынок сбыта.

Параметрами по напряжению являются неповторяющееся импульсное и повторяющееся импульсное прямое и обратное напряжения. Хотя тиристор и может использоваться в качестве выпрямителя при этих напряжениях, на практике при разработке схем вводят коэффициент безопасности.

Это связано с тем, что тиристоры подвержены разрушению даже при кратковременном превышении неповторяющегося напряжения.

Источником перенапряжений являются либо основной источник питания, либо источник питания мощного оборудования. Перенапряжения могут возникать также в результате переходных процессов переключения других тиристоров в силовой цепи.

Обычно используется ряд технических решений для подавления перенапряжений, однако их полное устранение не всегда экономически оправдано и зачастую используется тот вариант, который выбирается как некоторый «оптимум» между стоимостью сложной защиты и стоимостью тиристоров. Обычно применяются тиристоры с максимальным неповторяющимся импульсным напряжением, которое в 2-2,5 раза превышает рабочее напряжение.

Следующей характеристикой тиристоров является скорость нарастания напряжения du/dt. Превышение критической скорости нарастания du/dt приводит к разрушению прибора. Это явление можно предотвратить, если использовать защитную цепь между анодом и катодом, состоящую из последовательно соединенных емкости и сопротивления. Однако при выборе требуемого значения du/dt снова следует учитывать стоимость как защитной цепи, так и тиристора.

При выборе тиристора по его характеристике определяются размеры прибора исходя из значения действующего тока или тока перегрузки в открытом состоянии (иногда учитываются оба эти параметра). Характеристики тиристора по току приводятся в специальных справочниках. Для того, чтобы оценить размер тиристора, разработчики схем должны, исходя из данной нагрузки, рассчитать мощность, рассеиваемую прибором, выбрать эффективную систему охлаждения и тепловое сопротивление тиристора.

Произведение рассеиваемой мощности на тепловое сопротивление тиристора позволяет определить повышение температуры прибора.

Например, если максимальная температура радиатора равна 80 С, максимально допустимая температура перехода 125 С и предполагаемая рассеиваемая мощность 450 Вт, то тепловое сопротивление перехода к радиатору должно быть менее 0,1 С/Вт.

Рассеиваемая мощность определяется несколькими факторами: анодным током и напряжением в открытом состоянии, током утечки при прямом и обратном блокирующем напряжении, током и напряжением управления и энергией переключения. Рассеиваемая энергия в открытом состоянии обычно приводится в виде графиков в каталогах на тиристоры и представляет собой интеграл произведения тока на прямое падение напряжения.

Для высокочастотных приборов фирмы, производящие тиристоры, также приводят кривые, позволяющие разработчикам преобразователей определять токовые характеристики, допустимые в условиях высоких скоростей переключения.

Одной из важных характеристик прибора является его тепловое сопротивление, поскольку оно определяет допустимую рассеиваемую мощность. Это сопротивление зависит от размеров тиристора и его конструкции: тиристоры больших размеров обладают малым тепловым сопротивлением. В любом тиристоре можно рассеивать большую мощность, если имеется эффективная система охлаждения. Однако при этом необходимо искать «оптимум» между стоимостью тиристора и стоимостью системы охлаждения. Часто для того, чтобы уменьшить систему охлаждения, используются большие по размеру тиристоры.

Во многих случаях применения тиристор должен выдерживать перегрузку по току, что обусловлено, например, коротким замыканием в цепи. Короткое замыкание может длиться до тех пор, пока не расплавится предохранитель и не разомкнется цепь, или, наконец, не прекратится подача импульса тока (10 мс при частоте 50 Гц). По этой причине спецификация тиристора включает классификацию по ударному току I_rsm. Ударный ток является неповторяющейся характеристикой, но, тем не менее, тиристор должен выдерживать такую перегрузку несколько раз за время своей работы.

– это максимально допустимая скорость нарастания тока при включении прибора. Она ограничивается скоростью распространения проводящей области в тиристоре. Тиристоры для инверторов конструируются таким образом, чтобы иметь высокую скорость нарастания тока . Значение сильно зависит от импульса управления: мощный импульс управления позволяет получить высокую скорость . В основном быстродействующие тиристоры имеют высокие скорости , вполне достаточные для большинства областей применения. Однако если эта величина недостаточна, тогда в цепь нагрузки необходимо вводить дополнительное индуктивное сопротивление, ограничивающее скорость нарастания тока нагрузки.

Принятые обозначения различных тиристоров представлены на рисунке 8.3.

а) б) в) г) д) е)

Рисунок 8.3 - Обозначение тиристоров: а – динистор;

б – тиристор; в – запираемый тиристор; г – симистор; д – тиристор-диод (тиристор с обратной проводимостью); е – фототиристор;

ж – тиристорная оптопара; з – МОП-тиристор (IGBT)

ж) з)

Для обозначения классов тиристоров используют следующие буквы [24]:

Т – тиристор (тиристор вообще и тиристор, не проводящий в обратном направлении);

ТП – тиристор, проводящий в обратном направлении (параметры обратного проводящего состояния не нормируются);

ТД – тиристор-диод (тиристор, проводящий в обратном направлении, параметры обратного проводящего состояния нормируются);

ТЛ – лавинный тиристор (допускается работа при лавинном пробое в обратном направлении);

ТС – симметричный тиристор (симистор, триак);

ТФ – фототиристор;

ТО – оптотиристор (тиристорная оптопара).

По динамическим свойствам тиристоры разбивают на подклассы:

быстровыключающиеся тиристоры – нормируется время выключения;

быстрорвключающиеся тиристоры – нормируется время включения;

быстродействующие тиристоры – нормируются значения времени выключения и времени включения.

Для обозначения указанных подклассов используются следующие буквы: Ч – быстровыключающиеся тиристоры; И – быстровключающиеся тиристоры; Б – быстродействующие тиристоры.

В условное обозначение тиристора входят буквы и цифры, обозначающие его вид, класс по напряжению, группы по динамическим параметрам (критической скорости нарастания прямого напряжения, времени выключения и времени включения).

Пример условного обозначения тиристора: ТБ-143-320 – это быстродействующий тиристор, не проводящий в обратном направлении, таблеточной конструкции, на максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А. Цифра 1 в обозначении модификации указывает, что это первая модификация прибора, а цифра 4 – что диаметр таблеты данной конструкции равен 72 мм.