8.9.3. Примеры применения симисторов
Универсальность и простота симисторов делают их перспективными для обширного класса устройств, связанных с подключением и регулированием переменного тока.
Симметричный тиристор в качестве бесконтактного ключа в цепях переменного тока позволяет коммутировать значительную мощность при малых потерях мощности на управление (рисунок 8.41), при этом отсутствует «дребезг» и подгорание контактов, искрение и перенапряжения, характерные для контактных элементов.
Рисунок 8.41 -
Применение симистора
в
качестве бесконтактного ключа
переменного
тока
Рисунок 8.42 -
Применение симистора
в
схеме фазового управления
При фазовом управлении симистор отпирается импульсом управления и подключает напряжение питающей сети к нагрузке на определенную (регулируемую) часть периода (рисунок 8.42), что позволяет экономично регулировать среднее значение мощности, подводимой к нагрузке (например, при питании электрических ламп, нагревательных приборов, электродвигателей и т. п.).
Регулировка мощности осуществляется путем изменения фазового угла φ, при котором происходит отпирание ключа-симистора.
Рисунок 8.43 - Применение симистора в схеме с синхронной коммутацией
В момент замыкания или размыкания ключа при фазовом регулировании из-за резкого изменения тока возникают перенапряжения и, как следствие, радиопомехи, коммутационные помехи и т. п. Желательно поэтому отпирать и запирать ключ в момент, когда напряжение питающей сети проходит через нуль – так называемая синхронная коммутация или коммутация при нулевом напряжении (особенно часто используется при питании электронагревателей), при этом мощность в нагрузке регулируется путем изменения отношения длительности замкнутого состояния ключа (симистор открыт), когда к нагрузке прикладывается целое число периодов питающей сети, к длительности его разомкнутого состояния (симистор закрыт) (рисунок 8.43).
Коммутационные помехи в этом случае резко уменьшаются.
8.10. Эффекты dI/dt и dU/dt в тиристорах
8.10.1. Эффект dI/dt
Этот эффект связан с двумерным характером включения по площади тиристорной структуры. Если скорость нарастания анодного тока dI/dt велика, то вся энергия выделяется в области первоначального включения, и тиристор может быть поврежден в результате локального увеличения температуры.
Рисунок 8.44 - Временные диаграммы анодного тока, напряжения и мощности (а);
распределение плотности анодного тока (б) и область первоначального
включения тиристора (в)
При включении тиристора по управляющему электроду первоначально включается область катода, прилегающая к управляющему электроду (рисунок 8.44), которая носит название – область первоначального включения (ОПВ). Основной причиной неоднородного распределения анодного тока является неоднородность поперечной плотности тока управления под катодом, обусловленная падением напряжения на омическом сопротивлении p-базы (рисунок 8.44, б) аналогично эффекту «оттеснения» эмиттерного тока в биполярном транзисторе. Область катода, где плотность анодного тока превышает плотность тока включения (рисунок 8.44, в), является областью первоначального включения. При дальнейшем прохождении анодного тока ОПВ распространяется вглубь катода под действием диффузионно-дрейфового механизма, и через время распространения плазмы включается вся площадь катода. Скорость распространения ОПВ увеличивается с ростом температуры и уменьшается с уменьшением времени жизни носителей в n-базе и увеличением ее толщины и коэффициента шунтирования катодного перехода. Обычно скорость распространения ОПВ не превышает 104 см/с, что и приводит к большой длительности третьей фазы включения тиристора. Выделение мощности в ОПВ приводит к повышению локальной температуры, которая, в свою очередь, может вызвать повышение локальной плотности тока. В случае если скорость распространения ОПВ, снижающая плотность выделяемой мощности, будет ниже скорости нарастания температуры за счет термогенерации носителей заряда, то возможен вход в тепловую форму вторичного пробоя, сопровождающегося стягиванием тока в шнур и разрушением прибора. Выделяемая локальная плотность мощности возрастает с увеличением скорости нарастания анодного тока. По этой причине и вводится предельное значение dI/dt на режимы эксплуатации тиристоров.
Р
Рисунок
8.45 - Принцип регенеративного управляющего
электрода: 1 – управляющий тиристор; 2
– основной тиристор
Для повышения устойчивости тиристоров к эффекту dI/dt необходимо использовать полосковую топологию катода, ширина элементов которой не превышает двух ширин ОПВ при заданном токе управления. Однако в этом случае усложняются вопросы обеспечения контактов к катоду для тиристоров большой мощности и больших токов управления.
Наиболее распространенным способом повышения перегрузочной способности является введение в структуру тиристора регенеративного усилительного электрода (рисунок 8.45).
Схема регенеративного управляющего электрода показана на рисунке 8.45. Прибор состоит из вспомогательного или управляющего тиристора 1, соединенного общим анодом с основным тиристором 2. Катод вспомогательного тиристора связан с управляющим электродом основного тиристора через сопротивление. При включении электрода ток управления прикладывается к вспомогательному тиристору, и он включается. Ток нагрузки течет в цепь управления основного тиристора и включает последний более мощным током.
Описанный принцип включения прибора используется при центральной (рисунок 8.46) или кольцевой конструкции регенеративного управляющего электрода.
Кольцевой и разветвленный регенеративные электроды широко используются в структурах быстродействующих тиристоров, которые имеют низкие потери при включении, быстрое включение и высокую стойкость к эффекту dI/dt вплоть до 103 А/мкс. Следует отметить, что симисторы не имеют возможности использовать регенеративный электрод. По этой причине их устойчивость к скорости нарастания анодного тока, а следовательно, быстродействие, значительно ниже.
В определенных случаях для защиты тиристоров от эффекта dI/dt последовательно в цепь нагрузки включают индуктивность для уменьшения скорости нарастания анодного тока.