Полупроводниковые тиристоры
Со второй половины прошлого века используются полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой. В зависимости от характера вольтамперной характеристики и способа управления их подразделяют на:
динисторы – имеют два вывода и переключаются в открытое состояние импульсами напряжения заданной амплитуды;
тиристоры (однооперационные) – не проводящие в обратном направлении, включаются импульсами тока управления, а выключаются либо подачей обратного напряжения, либо прерыванием тока в открытом состоянии. Тиристоры в зависимости от коммутационных параметров подразделяют на низкочастотные, высокочастотные, быстродействующие, импульсные (специальные тиристоры для импульсных режимов работы);
запираемые тиристоры (двухоперационые) – выключаются с помощью импульсов тока управления (отличаются малыми значениями времени выключения при равной энергетике с однооперационными тиристорами);
комбинированно-выключаемые тиристоры – выключаются с помощью импульса тока управления при одновременном воздействии обратного анодного напряжения. У этих тиристоров время выключения несколько превышает время выключения запираемых;
симметричные тиристоры (симисторы) – являются эквивалентом встречно-параллельного соединения двух тиристоров и способны пропускать ток в открытом состоянии, как в прямом, так и в обратном направлениях. Включается симистор однополярными и разнополярными импульсами тока управления;
лавинные тиристоры – имеют лавинную вольт-амперную характеристику и обладают повышенной устойчивостью к перенапряжениям;
оптронные тиристоры (оптотиристоры) – управляются с помощью светового сигнала от светодиода, расположенного внутри корпуса прибора. Оптотиристоры обладают повышенной помехоустойчивостью, так как их цепь управления гальванически развязана с сильноточной анодной цепью.
Рис. 6.4. Схема включения тиристора
Чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n1 и положительный в базе р2 (рис.6.4). Это осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П1 и П3 при увеличении напряжения на тиристоре до Uперекл.
На управляющий электрод подается напряжение такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении. Это приводит к росту тока через эмиттерный переход и снижению U перекл. На рис.6.5 приведено семейство ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока.
При достаточно больших значениях тока Iупр ВАХ тиристора вырождается в прямую ветвь ВАХ диода. Критическое значение тока Iупр, при котором на ВАХ тиристора исчезает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и тринистор включается, минуя запертое состояние, называется током спрямления.
Таким образом, наличие Iупр принципиально не меняет существа процессов, определяющих вид ВАХ тиристора, но меняет значения параметров: напряжение переключения и ток переключения.
Рис. 6.5. ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока базы Iупр
На рис.6.6 приведены параметры, характеризующие различного типа тиристоры в зависимости от выбора рабочей точки. К наиболее важным параметрам тиристоров относят: максимально допустимый средний прямой ток (в современных мощных тиристорах может достигать 1000…2000 А), импульсное прямое напряжение, максимальный обратный ток, ток удержания (определяется при Iу=0), время выключения (у быстродействующих тиристоров составляет 5…100 мкс), управляющий ток отпирания и управляющее напряжение отпирания (при таких значениях тока и напряжения в управляющей цепи обеспечивается надежное отпирание тиристора даже при малых значениях напряжения – 5…10 В).
Рис. 6.6. Примеры характеристик кремниевых тиристоров КУ104
Четырехслойные приборы используются в качестве выпрямителей, а также переключающих устройств. Основная область применения тиристоров – энергетическая (силовая) электроника.
Ввиду несложной технологии изготовления, большого срока службы четырехслойные полупроводниковые приборы очень перспективны. Разработаны конструкции тиристоров на рабочие напряжения до 2000 В и токи 1000 А и более.