Глава 7.

ТИРИСТОРЫ

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляют три взаимодействующих р-п перехода, образованные четырьмя чередующимися р- и «-областями в едином кристалле кремния. Тиристоры иногда называют четырехслойными структурами и управляемыми диода­ми. Далее будет использоваться лишь термин «тиристоры».

Тиристоры очень широко применяются в силовой преобразова­тельной технике как переключающий элемент. Специалисты считают, что появление тиристоров произвело революцию в силовой полупро­водниковой технике. Особенно интенсивно с появлением тиристоров стали разрабатываться новые схемы и способы в автоматизированном электро­приводе.

Тиристоры только с двумя главными выводами называют динисто- рами или диод-тиристорами.

Тиристоры с двумя главными и одним управляющим электродами называют тринисторами или триод-тиристорами. Тринисторы являются самой распространенной разновидностью тиристоров, в связи с этим на практике понятие «тиристоры» часто отождествляют только с ними. В на­стоящее время выпускаются высококачественные тиристоры, рассчитан­ные на токи до 2000 А и напряжение до 2-3 кВ [2].

Тиристоры принято делить на маломощные и силовые.

К маломощным относят тиристоры на ток до 10 А и напряжение до 500 В. Маломощные тиристоры обозначаются по новой системе (после 1964 г.). Динисторы имеют вторым элементом в обозначении букву «Н», например КН 102Ж, тиристоры - букву «У», например КУ202А.

К силовым относят тиристоры, рассчитанные на токи более 10 А. Силовые тиристоры имеют свою систему обозначения, которая будет приведена в конце этой главы.

1. Устройство и принцип действия тиристоров

Упрощенная структура триод-тиристора и схема ее включения пока­заны на рис. 7.1,а. Крайние слои р\ и п_г называют эмиттерами, а средние слои п\,р₂- базами (и, - толстая база, р₂ - тонкая база). Верхний Э| и ниж­ний Эг р-п переходы называют эмиттерными, средний К - коллекторным.

Внешние выводы от эмиттерных областей являются главными элек­тродами. Вывод от эмиттераназывают анодом А, вывод от эмиттера п_г - катодом К. От тонкой базы р-> имеется вывод - управляющий электрод (УЭ). Все внешние выводы образуют с областями тиристора невыпрям­ляющие контакты.

Динистор отличается от триод-тиристора только тем, что у него нет управляющего электрода. Следовательно, тринистор при разомкнутой це­пи УЭ (/_у = 0) является динистором. В связи с этим динисторы отдельно не рассматриваются.

На рис. 7.1,6 приведены условные обозначения тиристора.

1а

УЭ

R_y

I

К

динистор

А

и_а

0+

Е_п % ~

К

тринистор А

\7

к

\уэ

Рис. 7.1

При подключении внешнего напряжения питания Е_п с полярностью, указанной на рис. 7.1,а (такое направление называется прямым), эмиттер- ные переходы 3i и Эг смещены в прямом направлении. Коллекторный пе­реход К смещен в обратном направлении, и к нему приложено практически все внешнее напряжение U_a (U_a ~ Е_п). Эмиттер р\ инжектирует в базу щ дырки, поток которых образует ток /_Э[. Инжектированные дырки в базе П\

диффундируют в сторону коллекторного перехода точно так же, как в базе транзистора. Часть их рекомбинирует с электронами, а остальная часть -

131

aj/_3| - достигает коллекторного перехода и увеличивает коллекторный ток /к- Точно так же эмиттер п₂ инжектирует электроны в базу р₂, поток ко­торых образует ток /_Э2. Часть электронов рекомбинирует в базе р₂, а ос­тальная часть - а₂1_Эг - достигает коллекторного перехода и тоже увели­чивает ток /_к.

Таким образом, ток коллекторного перехода /_к управляется двумя эмиттерными токами - /_Э), /_Э2. Кроме того, через обратносмещенный

коллекторный переход течет обратный ток /_о6. Общий ток /_к будет опре­деляться всеми тремя составляющими:

Л< =^а1^/Э, ^+а2⁷Э₂ ^+/об- О⁷-¹)

Через эмиттерный переход Э₂ протекает сумма токов /_д и I :

lr>₂=I_a+I_y, (7-2)

где 1_у - ток управления (см. рис. 7.1).

Через остальные два перехода (К и Э,) протекает один общий ток, равный току внешней цепи I_а:

'э,='к=Лг (7-3)

Подставив в (7.1) значения токов из (7.2) и (7.3), легко найти величи­ну тока 1_а во внешней цепи, выраженную через параметры транзистора:

/₀к + O.J ■ /_у

1 _а —~—(7.4) 1-(а, +а₂)

Выражение (7.4) в неявном виде является вольт-амперной ха­рактеристикой тиристора.

При разомкнутой цепи УЭ (1_у =0) характеристика (7.4) переходит в

динисторную характеристику:

I

■ (7-5)

1-(а, +а₂)

При напряжениях на коллекторном переходе, далеких от про­бивного, ток /_об почти равен тепловому току /_Ко:

/об ^а /Ко •

Однако вблизи пробоя ток /_о6 больше /_Ко за счет лавинного размно­жения М:

/_об=М-/_Ко. (7.6)

В формулах (7.4) и (7.5) иногда вместо /_0б используется его значе­ние из (7.6), вдали от пробоя величина М считается равной единице.

В зависимости от величины знаменателя в (7.5) ток может иметь два резко различных значения, а тиристор может находиться в двух резко раз­личных состояниях: закрытом и открытом.

2. Закрытое и открытое состояние тиристора

1. Закрытое состояние тиристора (ключ отключен)

При напряжениях на коллекторном переходе £/_к, далеких от пробив­ного, обратный ток /_ко кремниевых переходов очень мал, не превышает единиц микроампер. В свою очередь, аь а₂ кремниевых приборов при ма­лых токах близки к нулю. Следовательно, ток через структуру, называе­мый током утечки /_у, (при /_у = 0), лишь немного превышает 1_Ко. Напряже­ние (Uk « Щ при этом' может достигать нескольких сотен вольт. Такое со­стояние тиристора называют закрытым, оно эквивалентно отключенному положению ключа. Это состояние соответствует участку 1 вольт-амперной характеристики, приведенной на рис. 7.2,а.

Для улучшения наглядности на рис. 7.2,6 показана та же ха­рактеристика с растянутой по оси токов начальной частью с искаженными масштабами.

Рис. 7.2

При заданном токе управления (/_у * 0) ток утечки транзистора /_ут на участке 1 в соответствии с (7.4) несколько больше определяемого по (7.5), но все равно остается весьма малым, не превышая единиц миллиампер. Каждому значению тока /_у соответствует своя ветвь на участке 1. На рис.

2. кроме характеристики /_у = 0, приведены две характеристики для /_у = /_у, и /_у = /у₂.

2. Открытое состояние тиристора (ключ включен)

Если сумма ct| + а₂ близка к единице, знаменатель в (7.5) близок к нулю, то ток 1_а тиристорной структурой в этом случае не ограничивается (согласно (7.5) ток 1_а равен бесконечности). Практически ток 1_а ограни­чивается внешним резистором R_a. Напряжение на тиристоре при этом не превышает двух вольт, поэтому ток

Такое состояние тиристора называют открытым, оно эквивалентно включенному положению ключа.

Открытое состояние соответствует участку 3 вольт-амперной харак­теристики. Величина /_у не влияет на участок 3.

При изменении полярности внешнего напряжения U_a оба эмиттер- ных перехода смещаются в обратном направлении, коллекторный - в пря­мом. Такое направление называют обратным. Тиристор при этом не отли­чается практически от обычного диода. Обратное направление соответст­вует участку 4 вольт-амперной характеристики.

3. Включение и выключение тиристора

Включение тиристора при L = 0. Переход тиристора от закрытого (участок 1) к открытому (участок 3) называется включением тиристора, он соответствует участку 2 характеристики. В основе процесса включения ти­ристора лежит зависимость коэффициентов а_ь а₂ от тока коллекторного перехода /_к. На рис. 7.3 показаны основные потоки носит( лей, взаимодей­ствие которых определяет состояние тиристора. Физические процессы в тиристоре во многом аналогичны процессам в бездрейфовом транзисторе и диоде. Эмиттерные переходы Э| и Э₂ выполняют односторонними (Р_Р\» n„i, п_п2»р_р2), поэтому считают, что имеет место только инжекция дырок через 3i (/_Э| * 1_р1) и электронов через (/_Э2 “ ⁷«2)- Для сокра­

щения поток дырок a₁1_р\ называют транзитным, а поток дырок (1 - а\)1_р\, рекомбинирующих в базе щ, - рекомбинационным. Аналогично для базы Рг поток а₂1„2 - транзитный, а поток (1 - а₂)1„2 ~ рекомбинационный.

На начальной части участка 1 при малом токе (/_об =/к₀) коэффициен­ты а) и ct2 близки к нулю и почти весь поток дырок должен рекомбиниро­вать в базе п_х (т.к. а.\1_р\ = 0), а поток электронов 1„₂ - в базе р_г (т.к. а \1л - = 0), для рекомбинации потока дырок (1 - а.\)1_р\ в базе п\ туда должен вте­кать такой же поток электронов. При неравенстве этих потоков происходит накопление нескомпенсированных зарядов в базе п\ (дырок или электро­нов), изменяется смещение на эмиттерном переходе Э] и автоматически устанавливается равенство потоков рекомбинирующих дырок и электро­нов в базу п\. Электроны в базу п_х «поставляются» обратным током кол­лекторного перехода /_об (/₀б ⁼ + А>бД электронная составляющая этого

тока /_о6„ является непосредственным «поставщиком» электронов, а дыроч­ная составляющая 1_обр «освобождает» электроны в базе и, вследствие ухода дырок и транзитным потоком электронов а₂ 1„г через базу р₂ от эмиттерно­го перехода Э₂. В начальной части участка / «₂1„₂ = 0 и единственным «по­ставщиком» электронов является обратный ток /_к. Поэтому и общий ток мало отличается от /_Ко.

Э, К Э₂

Рис. 7.3

При увеличении напряжения t/к об (t/к об ~ t/_{a про6}) начинается рост обратного тока /_0б коллекторного перехода вследствие лавинного размно­жения (М> /), следовательно, увеличивается сумма (а, + а₂), что ведет к дальнейшему росту тока согласно (7.5) и суммы (ai+a₂) и росту М. Таким образом, начало пробоя (предпробойного явления) коллекторного перехо­да является началом включения тиристора, однако в дальнейшем процесс включения тиристора развивается самостоятельно и никакой связи с про­боем не имеет.

При росте cti и а₂ увеличиваются транзитные потоки a|/_;,i, а₂/„₂ и уменьшаются рекомбинационные потоки (1 - o.\)I_pu (1 -- а₂)/„₂. Происходит накопление электронов в базе rt\ (увеличивается отрицательный неском-

пенсированный заряд базы), увеличивается смещение на эмиттерном пере­ходе 3i и снова устанавливается равенство рекомбинационного потока ды­рок и притока электронов в базу щ. Такой же процесс происходит и в базе Рг, в которой накапливается положительный заряд дырок. При дальнейшем повышении напряжения U_a ток /,, возрастает настолько, что сумма (ai + a₂) увеличивается до единицы, а знаменатель в (7.5) уменьшается до нуля. Ток /_а начинает нарастать лавинообразно. Напряжение, при котором происхо­дит включение, называют напряжением переключения С/_пер, а ток, при ко­тором сумма (ai + оь) достигает /_а, - током включения 1_тп.

Ток 1_а должен был бы расти до бесконечности согласно (7.5). Однако последовательно с тиристором всегда включается ограничивающий рези­стор (нагрузка) и при росте тока напряжение уменьшается почти до нуля, а ток включенного тиристора определяется равенством (7.7). Обратный ток /₀б при этом уменьшается до нуля (напряжение Uk об снижается до нуля), а транзитные составляющие вследствие роста а_ь а₂ становятся больше ре­комбинационных. Отрицательный заряд электронов в базе п\ и положи­тельный заряд дырок в базе р₂ увеличиваются настолько, что за счет этих зарядов коллекторный переход смещается в прямом направлении (при включении изменяется полярность напряжения на коллекторном переходе) и происходит инжекция через коллекторный переход электронов в базу р₂, дырок - в базу п\.

Опять устанавливается равенство притоков дырок и электронов в ба­зы. В базе щ, например, во включенном состоянии приток дырок обуслов­лен рекомбинацией (инжектированных через Э|) и инжекцией через кол­лекторный переход, а приток электронов - транзитной составляющей а₂1„₂. Напряжение на включенном тиристоре практически равно напряжению на одном эмиттерном переходе (напряжение коллектора и другого эмиттера взаимно компенсируются), а ток ограничивается сопротивлением R_a со­гласно (7.7). Характеристика включенного тиристора (участок 3) представ­ляет практически прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода.

Включение тиристора при L * 0. При заданном токе управляющего электрода, например / =/ ток утечки выключенного тиристора, со­гласно (7.4), больше обратного тока 7_0б на величину а₂/_у, да и сумма (ai + + a₂) несколько больше. При увеличении U_a ток 1_а достигает тока включе­ния (при котором ai + a₂ = 1) уже при меньшем напряжении и включение тиристора происходит при меньшем (чем U_ncр) напряжении U,,. В дальней­шем тиристор во включенном состоянии удерживается зарядами в базах и ток управления 1_У уже не играет никакой роли. При некоторой величине тока управления, называемого током спрямления /_{у спр}, тиристор оказыва­ется включенным сразу, участок 1 при этом отсутствует, а тиристор стано­вится обычным диодом.

Зависимость напряжения включе- ния (Ъ'_аш„) от тока управления включе- ния (/увкл). приведенная на рис. 7.4, на- зывается готовой характеристикой управления тиристора U_am = Д/_{у вкл}).

В большинстве практических схем прямое напряжение на тиристоре выби- рается меньше £/_пер- Включение тирис- тора осуществляется короткими импуль- сами тока с большой амплитудой.

Выключение тиристора. Выклю- чить тиристор (перевести с участка 3 на

участок 1) можно только снижением тока 1_а до тока удержания /_уд, при ко- тором сумма (а] + аг) станет меньше единицы и произойдет лавинообраз- ное выключение тиристора. В практических схемах выключение тиристора осуществляется снятием напряжения U_a или изменением его полярности на обратную.

Инерционность тиристора. Поскольку протекание тока через тири­стор связано с диффузией неосновных носителей в базах, то установив­шееся значение тока достигается не мгновенно, а в течение конечного от­резка времени, называемого временем включения t_mn или временем вы­ключения /_пыкл. Для маломощных тиристоров t_BKn и /_В1._1к;| измеряются едини­цами и долями микросекунд, для силовых - десятками микросекунд.

4. Параметры тиристора

Параметры тиристоров определяются характеристиками. Их вы­бирают таким образом, чтобы полностью охарактеризовать оба состояния тиристора, а также включающие параметры управляющего электрода. При этом имеются различия в параметрах маломощных тиристоров, предназна­ченных для работы в качестве переключающих элементов, и силовых ти­ристоров, предназначенных для работы в цепях переменного тока (так же, как для диодов).

Параметры маломощных тиристоров определяются характерными точками статической характеристики (см. рис. 7.2): U_mр, /_вкл, /„, /_уд, <У_0СТ,

t/обр, ^ВКЛ, ^ВЫКЛ"

Сущность их была рассмотрена ранее. Для характеристики цепи управления используются /_{у вкл} - включающий ток (минимальное значение тока /_у, включающего тиристор); U_{y вкл} - включающее напряжение (напря­жение на управляющем электроде при /_у = /_{у вкл})- В табл. 7.1 приведены па­раметры некоторых маломощных тиристоров.

Таблица 7.1

Параметры маломощных тиристоров

Параметры силовых тиристоров определяются по классификаци- онной вольт-амперной характеристике (рис. 7.5), которая снимается так же, как для силовых диодов (см. главу 4.2). Параметры те же, что для си- ловых диодов (силовые тиристоры часто называют управляемыми диода- ми): /„„, £/„, Л£/„н, Р_тп и ток удержания /_уд, £/„ при т = 0,6 по отношению к меньшему из напряжений U_npoe и £/_пер:

По величине t/„ тиристо- ры также делятся на классы, а по AU_all - на группы. Для ха- рактеристики цепи управления тиристоров используются те же параметры, что и для мало- мощных тиристоров.

Кроме того, для силовых тиристоров вводятся парамет- ры, ограничивающие скорости нарастания тока и напряжения.

Допустимая скорость на- растания прямого тока di_a/ At

при включении тиристора вводится для исключения точечных пробоев кремниевой пластины вокруг управляющего электрода. При включении ток нарастает очень быстро, но не успевает распространиться по всей пло- щади перехода, а концентрируется в начальный момент вокруг управляю- щего электрода, превышая допустимую плотность тока. Допустимая ско- рость нарастания прямого напряжения &U_a/dt вводится для ограничения зарядного тока барьерной емкости коллекторного перехода.

Зарядный ток может вызвать ложное включение тиристора (при рос­те тока растет сумма (<Х) + аг)). В табл. 7.2 приведены параметры некото­рых силовых тиристоров.

138

Таблица 7.2

Параметры силовых тиристоров

5. Типы и обозначения силовых тиристоров

Кроме обычных тиристоров, рассмотренных выше, в настоящее вре­мя выпускается несколько других разновидностей тиристоров. Основные из них кратко описаны ниже.

Симметричные тиристоры (ТС. ВКДУС). Их вольт-амперная харак­теристика, приведенная на рис. 1.6,а, симметрична.

Основой симметричного тиристора является кремниевая пятислой­ная монокристаллическая структура, показанная на рис. 1.6,6. Эта структу­ра эквивалентна двум тиристорам, включенным встречно-параллельно. Так, при полярности напряжения на структуре, данной без скобок, слои Р\- п₂-рг~ щ образуют тиристор, для которого указанная полярность яв­ляется прямой и характеризуется правой ветвью вольт-амперной характе­ристики.

(-)

п\

п₂

т щ

(+)~

⁺1а

Ra

(-) ь +

| 0 Е_п

УЭ (+)?-

139

Переход п\ -р] при этом смещен в обратном направлении, закрыт и участия в работе не принимает. При смене полярности внешнего напряже­ния (новая полярность указана в скобках) закрывается переход п₃ — _Рг, а в работе остается структура р₂ - п₂ - р\ - П\, для которой новая полярность является прямой и соответствует левой ветви характеристики.

Лавинные тиристоры (TJI), как и лавинные диоды, имеют чисто ла­винный пробой, равномерно протекающий по всей области р-п перехода.

Высокочастотные тиристоры (ТЧ) предназначены для высоко­частотных преобразователей с номинальным током до 125 А, временем включения до 8 мкс, временем выключения до 30 мкс.

Полностью управляемыми считаются тиристоры, выключение ко­торых может производиться по цепи управления током /_у обратного на­правления без снятия напряжения главной цепи U_a. Пока имеются лишь маломощные тиристоры этого типа, не получившие широкого распростра­нения.

Штыревые и таблеточные тиристоры. Конструктивно тиристоры имеют штыревую и таблеточную форму. В штыревой форме (более ран­ней) выполняются маломощные и силовые, в таблеточной - только сило­вые тиристоры. Таблеточные тиристоры, появившиеся лишь в последние годы, более совершенны как по технологии производства, так и по экс­плуатационным свойствам. Отличительными особенностями таблеточных тиристоров являются [4]:

• минимальные массогабаритные характеристики, обеспечиваемые за счет компактности конструкции и двустороннего отвода тепла от вен­тильного элемента;

• симметричность, что позволяет менять полярность включения вен­тиля в электрической схеме преобразователя путем простого его переворачивания;

• возможность компоновки вентилей в столбы;

• высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам.

Более подробные сведения о таблеточных тиристорах можно найти в работе [4] .

Обозначения силовых тиристоров. Тиристоры обычного исполнения с воздушным охлаждением обозначаются по ГОСТ 14069-68 буквой Т, по техническим условиям - ВКДУ. В обозначения лавинных тиристоров до­бавляется буква JI (ТЛ, ВКДУЛ), симметричных тиристоров - буква С (ТС, ВКДУ С), высокочастотных - буква Ч (ТЧ). В обозначения тиристоров с водяным охлаждением после указанных букв добавляется буква В (ТВ, ТЛВ, ТСВ, ВБ ДУВ, ВКДУЛВ, ВКЖУСВ).

Остальные элементы обозначения те же, что и у силовых диодов. Например, ТЛ-200-6В означает лавинный тиристор, номинальный ток - 200 А, класс 6, группа В.