8.3. Вольтамперная характеристика тиристора

Предварительно рассмотрим ВАХ диодного тиристора-динистора. В неявном виде ВАХ динистора с учетом лавинного размножения в центральном коллекторе П₂ может быть представлена в виде (рисунок 8.4,а)

(8.6)

В закрытом состоянии U₂ >> U₁ + U₃ , поэтому U_а = U₂.

Подставив в (8.6) значение коэффициента лавинного размножения (5.122)

,

получим:

. (8.7)

Выражение (8.7) представляет собой ВАХ динистора в режиме отсечки (I_а < I_выкл). При условии, что α₁(I_а) и α₃(I_а) возрастают с ростом тока, выражение (8.7) является экстремальной функцией, максимум которой определяется условием .

Для упрощения возьмем производную по току от (8.6).

.

Используя свойство экстремума

,

получим условие регенеративного включения динистора:

, (8.8)

или .

Таким образом, условие переключения динистора из закрытого состояния в открытое обеспечивается достижением тока анода величины тока включения, при которой сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока транзисторных секций с учетом размножения в центральном переходе достигает значения единицы. Выражение (8.8) позволяет определить ток включения при известных функциональных зависимостях α₁(I) и α₃(I). Зная I_вкл , из выражения (8.8) находим значение напряжения включения или напряжение прямого пробоя динистора.

. (8.9)

В случае зашунтированного катода, когда ток включения достигает больших величин, и коэффициент передачи анодной секции насыщается по току, ( , а ) напряжение включения динистора будет близким к напряжению лавинного пробоя центрального перехода (α₁₀ ≤ 0.3)

. (8.10)

Выражения (8.9), (8.10) относятся к структурам тиристоров с широкими базами, у которых не наблюдается эффекта смыкания базы областью пространственного заряда центрального перехода. В структурах с тонкими базами возможно переключение за счет инжекционного или токового пробоя транзисторных секций (5.125).

Ток удержания I_н , который характеризует минимальное значение тока анода в открытом состоянии может быть определен из условия выключения (U₂ = 0) (8.7):

(8.11)

В открытом состоянии напряжение на динисторе складывается из алгебраической суммы падений напряжения на переходах и омическом сопротивлении баз и контактов (8.6). На больших прямых токах падение напряжения на p-n-p-n структуре аналогично падению напряжения на p-i-n диоде с толщиной i-слоя, равной суммарной толщине двух баз динистора

. (8.12)

При больших уровнях инжекции ВАХ прямосмещенного p-n перехода контролируется падением напряжения ΔU_B(I) на модулированном сопротивлении базы, включая ток, ограниченный пространственным зарядом (5.63), (5.64) и омическим сопротивлением контактов. В большинстве случаев величина прямого падения напряжения не превышает для кремниевых динистров 1,2 В.

В обратном смещении анодный и катодный переходы смещены в обратном направлении, а центральный переход – в прямом. В этом случае напряжение блокируется анодным переходом, так как катодный переход либо зашунтирован, либо имеет малое напряжение пробоя. Поэтому обратный ток утечки будет аналогичен току I_CE0 p-n-p транзисторной секции в инверсном включении (7.51).

, (8.13)

где I₀₁ – ток генерации в объеме ОПЗ анодного перехода.

Максимальное обратное напряжение определяется лавинным пробоем анодного перехода

. (8.14)

У триодного тиристора или тринистора кроме катода и анода встраивается дополнительный управляющий электрод (рисунок 8.7).

а) б)

Рисунок 8.7 - Структура (а) и семейство ВАХ (б) тиристора

В отличие от динистора у тиристора изменяется напряжение включения в зависимости от тока управляющего электрода (рисунок 8.7, б). В прямом смещении управляющего p-n перехода ток управления эквивалентен внешнему базовому току катодной транзисторной секции. Этот ток вызывает приращение анодного тока

.

В результате условие переключения реализуется при меньших значениях U_вкл . При некотором I_y = I_спр (рисунок 8.7,б), ВАХ тиристора «теряет» участок отрицательного дифференциального сопротивления, так как избыточный заряд основных носителей из-за роста коэффициентов передачи тока транзистора, поставляемый током спрямления, реализует условие включения (открытое состояние) при нулевом обратном токе или нулевом смещении центрального p-n перехода. Зависимость U_вкл(I_y) является основной характеристикой управляемого тиристорного ключа.

Формально ВАХ тиристора аналогична ВАХ динистора с учетом тока управления

. (8.15)

Условие включения тиристора имеет вид:

.

Условие выключения тиристора имеет вид:

.

Напряжение включения уменьшается с ростом тока управления (рисунок 8.8)

, (8.16)

где коэффициент k ≈ 1/I_спр .

Как следует из (8.16), для повышения чувствительности к управляющему току необходимо реализовать структуру с большим коэффициентом передачи катодной транзисторной секции. В этой связи толщина р-базы тиристора всегда меньше толщины n-базы, обеспечивающей требуемое напряжение включения и обратное анодное напряжение (рисунок 8.7, а).

Статический ток спрямления определяется из условия выключения структуры (U₂ = 0, M = 1).

;

Из этого выражения следует:

.

С другой стороны, при токе выключения α₁ + α₃ = 1 , или α₃ = (1 – α₁) при I_a = I_выкл .

Таким образом,

. (8.17)

Рисунок 8.8 - Зависимость U_вкл от тока управления

а) б)

Рисунок 8.9 -Технологический шунт в катодном переходе (а)

и изменение зависимости α₃(I_a) (б)

Статический ток спрямления характеризует устойчивость тиристоров к самооткрыванию. Для повышения устойчивости к открывающим помехам необходимо увеличивать I_спр . С этой целью в катодный переход тиристора встраивается технологический шунт (рисунок 8.9, а), который представляет собой матрицу столбиков р-типа, закороченных металлизацией катода на n⁺-область. В зависимости от диаметра этих цилиндров и их количества будет изменяться и величина распределенного по площади сопротивления шунта. Включение шунта в катодный переход деформирует зависимость коэффициента передачи тока катодной транзисторной секции (рисунок 8.9,б). Условия включения и выключения в этом случае реализуются при значительно больших токах анода (рисунок 8.10). Подавление α₃ на малых токах повышает температурную стабильность прямого и обратного токов утечки, напряжения включения и устойчивости к эффектам и , которые будут рассмотрены ниже.

В обратном включении тиристора прямой ток управления увеличивает ток обратной утечки (рисунок 8.7,б). В этом случае наряду с внутренним током базы p-n-p транзистора I₀₁ присутствует ток коллектирования электронов, инжектированных катодным переходом:

.

Поэтому результирующий ток обратной утечки будет иметь вид:

. (8.18)

Таким образом, при эксплуатации тиристоров следует избегать режимов с прямым током управления и обратном анодном напряжении, так как это приводит к увеличению мощности потерь.

Рисунок 8.10 - Влияние сопротивления шунта на ВАХ тиристора

8.4. Статические параметры тиристора

Простейшая схема тиристорного ключа в цепи постоянного тока приведена на рисунке 8.11. Через нагрузку R_н и тиристор, которые соединены последовательно, протекает один и тот же ток I :

. (8.19)

Выражение (8.19) представляет собой ВАХ нагрузочного резистора R_н и графически изображается прямой линией (рисунок 8.12). ВАХ нагрузки называется линией нагрузки. Ток I графически определяется в точке пересечения линии нагрузки и выходной ВАХ тиристора.

-Е

Рисунок 8.11 - Схема тиристорного ключа

Рисунок 8.12 - Положение рабочей точки на выходной ВАХ тиристора

Закрытому статическому состоянию тиристора соответствует точка А. Ток, протекающий в этом состоянии, мал, напряжение источника питания практически полностью прикладывается к тиристору (Е  U) и может достигать сотен и тысяч вольт. Точка А – точка устойчивого равновесия системы нагрузка – тиристор. В самом деле, легко видеть, что при увеличении тока I по какой либо причине падение напряжения на тиристоре U также возрастает, и ток I в соответствии с выражением (8.19) вернется к своему значению (в точку А).

Открытому статическому состоянию тиристора соответствует точка В. В этом состоянии напряжение на тиристоре мало (около 1 В), а ток может достигать значений в сотни и тысячи ампер. Нетрудно показать, что точка В также является точкой устойчивого равновесия.

Существует еще одна точка пересечения линии нагрузки и ВАХ тиристора – точка С (в области отрицательного сопротивления). Однако точка С, как и любая другая точка пересечения с линией нагрузки в этой области, является временно устойчивой. Любое отклонение от равновесия в точке С приводит к тому, что тиристор либо переходит в закрытое состояние (в точку А), либо в открытое (в точку В). Например, пусть ток I в точке С увеличиться, тогда напряжение на тиристоре U уменьшится и по выражению (8.19) ток I еще больше увеличиться, так происходит до тех пор, пока рабочая точка не окажется в точке В. Аналогично происходит переход в точку А при уменьшении тока I.

Закрытому статическому состоянию тиристора в обратном направлении соответствует точка D, когда к тиристору прикладывается обратное напряжение (см. рисунок 8.12).

Статические состояния тиристора описывают статическими параметрами, которые задают по выходной ВАХ тиристора. Открытое состояние тиристора (точка В) характеризует следующие параметры [24]:

• максимально допустимый средний ток I_о,с – среднее за период значение тока, длительно протекающего через тиристор в открытом состоянии (значение параметра приводится в обозначении тиристора);

• пороговое напряжение U_пор – значение прямого напряжения, определяемое точкой пересечения прямой, аппроксимирующей ВАХ тиристора в открытом состоянии, с осью напряжения (рисунок 8.13). Обычно аппроксимирующую прямую проводят через две точки ВАХ: 0,5I_o,c и 1,5I_o,c ;

• динамическое сопротивление r_дин – значение сопротивления, определяемое по наклону прямой, аппроксимирующей ВАХ тиристора в открытом состоянии.

Р

Рисунок 8.13 - Параметры аппроксимации ВАХ тиристора в открытом состоянии

исунок 8.14 - К определению терминов «повторяющееся напряжение», «неповторяющееся напряжение» и «импульсное рабочее напряжение»

Закрытое состояние описывают следующие основные параметры:

• максимально допустимое повторяющееся импульсное напряжение U_п – наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии, включая все повторяющиеся перенапряжения, но исключая все неповторяющиеся;

• максимально допустимое неповторяющееся импульсное напряжение U_нп – наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося перенапряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии;

• максимально допустимое импульсное рабочее U_p – наибольшее мгновенное значение импульсного напряжения, прикладываемое к тиристору, исключая все повторяющееся и неповторяющееся переходные напряжения;

• постоянное напряжение в закрытом состоянии U_з,с – значение постоянного напряжения прикладываемого к тиристору.

Аналогичные параметры вводятся для тиристора в обратном закрытом состоянии.

Смысл терминов «повторяющееся напряжение» и «неповторяющееся напряжение» поясняет рисунок 8.14. Импульсы неповторяющегося напряжения прикладываются к тиристору с частотой, меньшей частоты питающей сети. Эти импульсы могут следовать хаотично во времени, не подчиняясь какой-либо определенной закономерности, но наименьший интервал времени между двумя соседними импульсами должен быть достаточно велик (около секунды или больше) с тем, чтобы влияние предыдущего импульса на состояние тиристора полностью исчезло к моменту приложения следующего импульса. Импульсы повторяющегося напряжения прикладываются к тиристору с частотой питающей сети. Повторяющиеся перенапряжения обусловлены в основном процессами коммутации в тиристорном преобразователе; неповторяющиеся перенапряжения вызываются внешней по отношению к преобразователю причиной – перенапряжениями в питающей сети, грозовыми перенапряжениями и т.д.

Для тиристоров, как и для диодов, вводят параметр обратное напряжение пробоя U_проб – значение обратного напряжения, при котором обратный ток превышает заданное значение. Для лавинных тиристоров этот параметр является обязательным.

В прямом закрытом состоянии для тиристоров вводят прямое напряжение пробоя U_{пр.проб} – значение напряжения в закрытом состоянии, соответствующее заданному значению тока на этом участке. Обычно лавинный пробой центрального перехода у тиристоров начинается раньше, чем достигается точка переключения, т.е. U_{пр.проб} < U_вкл . Перечисленные параметры по напряжению связаны такими неравенствами:

прямое закрытое состояние U_р < U_п < U_нп <U_{пр.проб} < U_вкл ;

обратное закрытое состояние U_обр,р < U_обр,п < U _обр,нп <U_проб .

Значение параметров закрытого состояния определяют при максимально допустимой температуре структуры тиристора.