Электротехника и Схемотехника / 69-74-pravka

74

5. Управляемые силовые приборы

5.1. Динисторы

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя и более p-n-переходами, предназначенные для использования в качестве ключей в схемах переключения электрических токов. Тиристоры делят на диодные (динисторы), имеющие всего два вывода – катод и анод, контактирующие с крайними областями монокристалла, и триодные (тринисторы). Тринистор имеет дополнительный третий управляющий электрод – вывод от одной из промежуточных областей кристалла. Понятие тиристор в большинстве случаев отождествляется именно с этой структурой.

Динистор (диодный тиристор) – двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три чередующихся p-n-перехода. Структура, схема включения и УГО динистора представлены на рис. 5.1. Крайняя область p- называется анодом, а другая крайняя область n- – катодом. Три p-n-перехода динистора обозначены как J₁, J₂, J₃.

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис. 5.2. Переход J₂ в этой схеме замещения является коллекторным переходом обоих транзисторов, а переходы J₁ и J₃ – эмиттерными переходами. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы J₁ и J₃ будут смещены в прямом направлении, а переход J₂ – в обратном, поэтому все напряжение источника E будет приложено к коллекторному переходу J₂. Ток коллекторного перехода является суммой токов, вызванных инжекцией носителей через эмиттерные переходы, и обратного (теплового) тока перехода:

, (5.1)

где и – коэффициенты передачи тока эмиттера для транзисторов VT1 и VT2 соответственно. Очевидно, что токи I_Э1, I_Э2 и ток I должны быть равны, откуда:

. (5.2)

Пока напряжение между анодом и катодом относительно мало, , а сопротивление динистора велико. Коэффициенты передачи тока эмиттера и зависят от тока эмиттера и напряжения между коллектором и эмиттером транзистора, причем с ростом тока и напряжения они растут. Такая ситуация сохраняется до тех пор, пока приложенное напряжение E не достигнет некоторого уровня U_вкл, при котором начинается пробой перехода J₂ и лавинообразное увеличение тока. При этом один из транзисторов начинает приоткрываться. Коллекторный ток этого транзистора, протекая по цепи базы второго транзистора, приоткрывает и его. Начинается лавинообразное увеличение тока в обоих транзисторах. Транзисторы переходят в режим полного насыщения. Сумма оказывается близкой к единице, и ток в соответствии с (5.2) должен стремиться к бесконечности. Если бы в цепи не было резистора R_Н, то прибор просто вышел бы из строя, но за счет R_Н происходит ограничение тока и перераспределение напряжений. Падение напряжения на промежутке анод-катод динистора уменьшается за счет коллекторного перехода J₂, в то время как напряжения на переходах J₁ и J₃ возрастают.

Процесс включения и выключения динистора можно проиллюстрировать, произведя некоторые построения на его ВАХ (рис. 5.3).

Предположим, что к закрытому динистору между катодом и анодом приложено напряжение E = U_АК = U₁. Проведем из точки U₁ на оси напряжений нагрузочную прямую в точку I₁ = U₁/R_Н. Нагрузочная прямая пересекает ВАХ в трех точках. Это точки 2, 3 и 4, и каждая из них определяет один из вариантов решения нелинейного уравнения системы. Однако только точки 2 и 4 дают устойчивое решение. Точка 3 дает неустойчивое решение, т.е. даже если токи и напряжения, соответствующие этой точке, установятся в цепи, любое случайное изменение тока приведет к тому, что рабочая точка системы перейдет либо в точку 2, если случайные изменения тока будут положительными, либо в точку 4, если ток случайно уменьшится. Таким образом, если к закрытому динистору приложить напряжение E = U₁ (постепенно увеличивая это напряжение от нуля до U₁), то в цепи установится режим, соответствующий рабочей точке 4, ток в которой соответствует обратному току перехода J₂. Такой режим будет сохраняться для всех напряжений, пока E  U_вкл.

Если продолжать увеличивать напряжение E, то при E  U_вкл ситуация изменится. Здесь есть только одна точка (точка 1) пересечения нагрузочной прямой и ВАХ динистора. Поэтому при увеличении напряжения до E  U_вкл в цепи установится режим, соответствующий рабочей точке 1, т.е. ток в цепи примет значение I₀, а напряжение на динисторе станет равным U₀. Динистор включится.

Если теперь плавно уменьшать напряжение от U_вкл до U₂, то рабочая точка будет плавно переходить из точки 1 в точку 2, а затем в точку 6. Как только напряжение станет меньше U₂, рабочая точка из точки 6 скачком перейдет в точку 5. Динистор закроется.

Если на анод динистора подать отрицательный потенциал относительно катода, то переходы J₁ и J₃ будут смещены в обратном направлении, а переход J₂ – в прямом и динистор будет надежно закрыт.

Проведенный анализ позволяет сделать предположения о возможных способах выключения динистора:

– прервать ток в цепи или понизить его до уровня менее I_выкл;

– понизить напряжение на динисторе до U <U₂ или до нуля;

– изменить полярность напряжения на динисторе.

Если параллельно с динистором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится динистор, проводящий в обратном направлении. УГО такого динистора приведено на рис. 5.4, а.

Промышленностью выпускаются также симметричные динисторы, имеющие ВАХ вида рис. 5.3, как в первом, так и в третьем квадранте. Благодаря такой симметричной ВАХ такой динистор может работать как на постоянном, так и на переменном токе, одинаково реагируя на положительную и отрицательную полуволны синусоиды. УГО симметричного динистора представлено на рис 5.4, б.

5.2. Тиристоры

Другой способ включения четырехслойной структуры реа­лизован в тиристорах (тринисторах). Для этого в тиристоре имеется вывод одной из баз эквивалентных транзисторов Т₁ или Т₂ (смотри эквивалентную схему че­тырехслойной структуры на рис. 5.2). Если подать в одну из этих баз ток управления, то один из транзисто­ров открывается, за счет положитель­ной обратной связи от­крывается другой, т.е. открывается весь тиристор.

В зависимо­сти от расположения управляющего электрода (УЭ) ти­ристоры делятся на ти­ристоры с катод­ным управлением (рис. 5.5, а) и ти­ристоры с анодным управлением (рис. 5.5, б).

ВАХ тиристора (рис. 5.6) отличается от ВАХ динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

Для того чтобы запереть тиристор, можно использовать любой способ, применяемый для выключения динистора, из рассмотренных в предыдущем параграфе. Все эти способы так или иначе связаны с прерыванием тока во внешней цепи тиристора.

Выключить тиристор можно также путем подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока. Наличие его приводит к уменьшению концентрации носителей зарядов в базе и уменьшению коэффициентов и . Если ток уменьшить настолько, что (+) станет меньше единицы, то тиристор выключится.

Недостатком такого выключения является необходимость создания в цепи управляющего электрода тока с направлением, противоположным току включения, и величиной, приближающейся к значению коммутируемого тока. Отношение величины коммутируемого тока к амплитуде импульса выключающего тока управляющего электрода называется коэффициентом запирания (К_З). Он характеризует эффективность выключения тиристора с помощью управляющего электрода. В ряде разработок Кз = 57. Тиристоры с повышенным значением коэффициента запирания часто называют выключаемыми. УГО выключаемых тиристоров с катодным и анодным управлением приведено на рис. 5.7, а и б соответственно.

При приложении к рассматриваемым четырехслойным структурам (рис. 5.5) напряжения обратной полярности тиристор надежно закрыт, поэтому данная структура называется тиристором, запираемым в обратном направлении. При добавлении к рассматриваемой структуре диода, проводящего при напряжении, приложенном в обратном направлении, получается тиристор, проводящий в обратном направлении. Пример УГО триодного тиристора, проводящего в обратном направлении, с управлением по аноду приведен на рис. 5.7, в.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило название «эффекта du/dt». Оно связано с зарядом емкости перехода C_J2 при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора). Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения. I_C2 = C₂ du/dt.

С имистор — это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимости. Симистор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод положительного импульса управления. Симистор можно заменить двумя встречно-параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. УГО симистора приведено на рис. 5.7, г.

В главе 24 приведены примеры использования динисторов и тиристоров в управляемых и неуправляемых источниках вторичного электропитания.

В справочной литературе обычно приводится обширный перечень параметров тиристоров, основными из которых являются:

ток в открытом состоянии (I_пр) – максимальное значение тока открытого тиристора (сотни миллиампер – сотни ампер);

напряжение в открытом состоянии (U_пр) – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии при заданном прямом токе (13 В);

напряжение включения (U_вкл) – напряжение на аноде, необходимое для включения тиристора при нулевом управляющем токе (десятки – сотни вольт);

отпирающий ток управления (I_{упр мин}) – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки миллиампер);

рассеиваемая мощность (Р_макс) – единицы – десятки ватт;

критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (du/dt)_кр – наибольшее значение скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, которое не вызывает переключения тиристора из закрытого состояния в открытое;

время включения (t_вкл);

время выключения (t_выкл).