3 Модуль – тиристори

Тема 7. Тема 8.

3.1 Двотранзисторна модель тиристора

Тиристор це напівпровідниковий прилад з двома стійкими станами, що має три чи більше переходи й може перемикатися із закритого стану у відкритий та навпаки. Провівши уявно перетин тиристора (рис. 3.1), можна представити ідеалізовану структуру у вигляді сполучення npn та pnp транзисторів, при якому колектор одного транзистора буде базою іншого, та навпаки.

При підключенні анодної напруги, обидва транзистори опиняться у активному нормальному режимі. Внаслідок інжекції носіїв з їхніх емітерів, поблизу центрального переходу (колекторного) накопичується заряди дірок та електронів, доки їх значення не стане критичним. Поступово коефіцієнт передачі транзисторів α зростає, і при досягненні сумарного коефіцієнта α одиниці, тиристор перейде регенеративним шляхом у відкритий стан. Це можна пояснити ще так: вмикання тиристорної структури відбудеться тоді, коли обидва транзистори npn та pnp перейдуть в режим насичення. Слід відзначити, що перемикання напівпровідникової структури тиристора у провідний стан анодною напругою при відсутності або недостатньому рівню струму керування недопустимо, оскільки це може визвати незворотній тепловий пробій напівпровідникової структури.

Рисунок 3.1 – Представлення тиристора у вигляді поєднання двох транзисторів

Рисунок 3.2 – Схема заміщення моделі тиристора

На рис. 3.2. зображена схема заміщення двотранзисторної моделі тиристора, або еквівалентна схема тиристора. Резистори R1 та R2, які шунтують емітерні переходи транзисторів, моделюють зниження  на малих струмах. Двотранзисторна модель дозволяє моделювати із достатньою точністю статичні та динамічні характеристики тиристора, якщо для транзисторів використовуються моделі, що враховують залежність передачі  від режиму, наприклад, Mextram [].

На фізичні процеси в тиристорі в основному впливають два фактори:

залежність коефіцієнта передачі  від струму емітера кожного з транзисторів та лавинне множення носіїв в збідненому шарі колекторного переходу.

Якщо сполучити декілька таких структур паралельно, можна моделювати явища у структурі потужного тиристора (розширення області початкового включення (ефект di/dt) та деякі інші (розсисання заряду, інерційність вимикання тощо).

Тиристор експлуатують тільки в ключовому режимі, і для отримання параметрів статичних моделей для відкритого і закритого станів, вихідну ВАХ тиристора січними прямими розбивають на три області (рис. 3.3), в кожній області визначають диференційний опір:

1 – область провідності (насичення) ();

2 – область відсічки у прямому напрямі ();

3 – область відсічки у зворотному напрямі ().

Рисунок 3.3 – Апроксимація ВАХ тиристора

3.2 Структура та основні параметри тиристора

Тиристор це напівпровідниковий прилад з двома стійкими станами, що має три чи більше переходи й може перемикатися із закритого стану у відкритий та навпаки. В сучасній електротехніці найбільш поширеними та перспективними для застосування є такі види тиристорів: тиристори, блоковані у запірному напрямі (phase control thyristors), SCR (switch controlled rectifier), комутуємі тиристори GTO, тиристори з інтегрованим керуванням (integrated gate-commutated thyristors - GCT, IGCT) [остр].

Силовий тиристор представляє собою багатошарову напівпровідникову структуру, що складається з чотирьох р- та п- шарів і трьох р-п переходів, рисунок 3.4. Зовнішні сторони емітерних шарів р₁ та п₂ з’єднані з металічними контактами, що утворюють два основних виводи тиристора. Вивід, що з’єднаний з р- шаром, називається анодним (А) виводом тиристора, а вивід, що з’єднаний з п- шаром, називається катодним (К) виводом тиристора. Вивід від р₂ - бази називається керівним (G) виводом (електродом).

Рисунок 3.4 - Напівпровідникова структура тиристора

Для протидії ефекту dU_D/dt , який може привести до несанкціонованого відкриття приладу у відсутності сигнала на затворі, емітерний перехід j₃ шунтується, та створюються дислокації для зменшення часу життя неосновних носіїв заряду. У сучасних тиристорів р-п перехід j₃ може пробитися при зворотній напрузі більше 15 В.

Крім цього, для захисту тиристорів використовують снаббери / демпфери - допоміжні ланцюги, що обмежують викиди напруги при перемиканні. В залежності від полярності прикладеної до основних виводів тиристора напруги він може знаходиться у таких трьох стабільних станах: закритому (непровідному) (емітерні переходи j₁ та j₃ зміщені у прямому напрямку, колекторний перехід j₂ зміщено у зворотному напрямку), відкритому (провідному) (усі три р-п переходи зміщені у прямому напрямку), зворотному непровідному (емітерні переходи j₁ та j₃ зміщені у зворотному напрямку, колекторний перехід j₂ зміщено у прямому напрямку, при умові, що прикладена напруга та струм через прилад знаходяться у допустимих межах).

Крім того, тиристор може переходити з одного стабільного стану у другий. Під вмиканням тиристора розуміють процес переводу його з закритого (непровідного) стану у відкритий (провідний) стан. Напівпровідникова структура тиристору переходить з закритого стану у відкритий при збільшені прямої напруги, коли струм через прилад збільшиться до такої міри, що сума коефіцієнтів підсилення за струмом стане рівною одиниці: Напруга, при якій виконується ця умова, називається напруга перемикання (U_BO)

При прикладенні до основних виводів прямої напруги, меншої ніж напруга перемикання його напівпровідникової структури, U_A < U_BO, через структуру тече невеликий струм витоку. При підключенні до керуючого виводу позитивного полюсу джерела керуючого струму, через базу р₂, емітерний перехід j₃ та емітерний шар п₂ буде протікати струм керування I_G, таким чином у базу р₂ будуть вноситись дірки (основні носії заряду цього шару), а в емітерний шар п₂ – електрони (основні носії заряду цього шару).

Збільшення струму приводить до росту інжекції з обох емітерних переходів, в наслідок чого відбувається накопичення зарядів в обох базах транзистора, причому для зменшення відкривального струму тиристора, ефективність катодного емітеру роблять більшою ніж анодного ( при увімкненні тиристора). Коли накопичений заряд досягає деякого критичного значення Q _КР, відбувається перемикання тиристору у відкритий стан при струмі увімкнення I_L.

На рисунку 3.5 наведені ВАХ тиристора із основними статичними параметрами.

Рисунок 3.5 - Вольт-амперна характеристика тиристора:

а – без струму керування, б – струм керування менший за відкривальний

На рисунку 3.6 наведені енергетичні зонні діаграми тиристора в режимі прямого зміщення.

Рисунок 3.6 - Енергетична зонна діаграма тиристора в режимі прямого зміщення: стан рівноваги, режим прямого замикання та режим прямої провідності.

Тиристори SCR можуть закритися, коли прямий струм через тиристор зменшується до значення, меншого за струм утримання I_H, або коли до анода прикладається зворотна напруга.

Основні параметри тиристора:

Критична швидкість наростання напруги у закритому стані (dU_D/dt_crit) – найбільше значення швидкості наростання основної напруги у закритому стані тиристора, яке не спричинює його відкривання.

Основні параметри тиристорів:

• повторювана імпульсна напруга у закритому стані та повторювана імпульсна зворотна напруга U_DRM / U_RRM;

• повторюваний імпульсний струм I _DRM / I _RRM у закритому стані;

• критична швидкість наростання струму при відкритті (di_T /dt)_crit;

• критична швидкість наростання напруги при закритті (du_D /dt)_crit;

• струм утримання I_H (найменший основний струм тиристора, необхідний для утримання тиристора у відкритому стані при розімкнутому колі керування);

• струм увімкнення I_L (найменший основний струм тиристора, здатний утримувати його у відкритому стані після закінчення дії сигналу керування, який спричинив відкривання тиристора);

  • відкривальний постійний струм керування I_GT (найменший струм керування тиристора, необхідний для його ввімкнення;

  • відривальна постійна керівна напруга U_GT (найменша напруга керування, яка відповідає постійному керівному струму відкривання);

Шлях покращення тиристорів: модернізація приладу, заміна конструкції струмопідводу, модернізація драйверу.

3.4 Процеси вмикання та вимикання тиристора

Типові залежності анодного струму та напруги тиристору від часу в процесі вмикання (переходу з непровідного прямого стану у провідний) приведені на рисунку 3.7.

Рисунок 3.7- Перехідний процес включення тиристора: а – форма імпульсу струму керуючого електрода (затвора);

б – осцилограми вихідного струму та напруги

Перехідний процес відкривання тиристора за керувальним виводом складається з трьох основних етапів: час затримки, час наростання струму (спаду напруги) та установлення стаціонарного стану.

Під часом затримки t_d розуміють початковий етап процесу включення тиристору від моменту подачі імпульсу струму керування до моменту наростання анодного струму та спаду анодної напруги. Під час затримки t_d відбувається накопичення в базових шарах неосновних носіїв заряду до критичного значення Q_СR та підвищення струму витоку тиристору до струму переключення структури. Залежність анодного струму від часу при його наростанні в інтервалі часу t_r має експоненціальний характер.

Слід відзначити, що відкривання тиристору діється не одночасно по всієї площі напівпровідниковій структурі, а лише в обмеженій області під катодною поверхнею поблизу керівного електроду. Підвищена щільність струму на початковій стадії процесу вмикання тиристора приводить до підвищеного локального нагріву першовключеної області напівпровідниковій структурі – це явище називають ефектом di/dt.

Перехід тиристора із відкритого стану у закритий відбувається за час, що необхідний для розсмоктування накопиченого надлишкового заряду. Залежності від часу анодних струму та напруги на тиристорі в процесі його закривання наведені на рисунку 3.8. В момент часу t₀ починається процес комутації – початок процесу закривання тиристора. В процесі спаду прямого струму в інтервалі t₀ – t₁ відбувається зменшення накопиченого заряду у напівпровідникової структурі тиристору, до моменту часу t₁ у базових шарах на кордонах переходів зберігається значний надлишковий заряд електронів та дірок, а переходи j₁, j₃ залишаються прямозміщеними [].

Рисунок 3.8 - Типові залежності від часу анодних струму та напруги на тиристорі в процесі його закривання (а) та схема підключення до зовнішнього джерела (б).

При t > t₁ через тиристор починає протікати зворотний струм, що зростає зі швидкістю спаду прямого струму. Напівпровідникова структура тиристору, практично, не блокує напругу, тобто напруга на тиристорі залишається позитивною аж до моменту часу t₂ коли інтенсивне зниження концентрації надлишкових носіїв заряду приводить, в першу чергу, до відновлення замикаючої властивості переходом j_3. В момент часу t₃ напруга на переході j₁ досягає значення напруги живлення контуру комутації U_К. В інтервалі t₃ – t₄ зворотний струм тиристора різко спадає зі зменшенням концентрації надлишкових носіїв заряду в шарах напівпровідникової структури. В момент часу t_5, коли надлишковий заряд дірок у п - базі зменшуючись стане меншим критичного заряду включення Q _КР, перехідний процес закривання тиристору можна вважати закінченим.

Отже, час закривання тиристора (t_q) – це найменший інтервал часу між моментом, коли основний струм тиристора знизився до нуля, і моментом, коли основна напруга тиристора, зростаючи, проходить через нульове значення, який гарантує, що при подальшому зростанні основної напруги не відбудеться повторного відкривання тиристора, тобто інтервал часу t ₁ – t₅.

3.5 GTO – тиристор

Тиристор, що повністю керується, тобто відкривається та замикається по колу затвора (GTO – тиристор), має особливості в структурі, статичних параметрах та динамічних процесах. На рисунку 3.9 наведена структура GTO-тиристора, який підключений до RL-навантаження, із позначенням напряму руху та рекомбінації дірок та електронів під час статичних станів та в динаміці.

а б

в г

Рисунок 3.9 – Структура GTO-тиристора та процеси, що відбуваються: а – при вмиканні; б – у включеному стані; в – при вимиканні; г – в блокованаму стані

На рисунку 3.10, а наведені ключ на GTO-тиристорі із навантаженням (елементи L_L D_F, R_L) та колами захисту (для вмикання – елементи L_i, R, D; для вимикання – елементи D_s, C_s, R_s, C_cl); на рисунку 3.10,б – осцилограми процесу вимикання, на якій позначено основні параметри GTO.

а б

Рисунок 3.10– Ключ на GTO-тиристорі:

а – схема із навантаженням та колами захисту; б - осцилограми

Розвитком GTO є тиристор, комутує мий по затвору – GCT та інтегрований із драйвером повністю керований тиристор із зниженими паразитними індуктивностями – IGCT, що дозволяє не використовувати снаббер [].

3.5 Будова та принцип роботи симістора

Симістор (або тріак) – напівпровідниковий елемент, призначений для комутації навантаження в мережі змінного струму. Він являє собою "двонаправлений тиристор" і має три електроди: один керуючий, і два основних для протікання робочого струму (рисунок 3.11). Особливістю симістора являється здатність проводити струм як від анода до катода, так і в зворотному напрямку.

Рисунок 3.11 – Симістор: а - УГП; б - структура

На відміну від тиристорів, симістор може управлятися як позитивним, так і негативним струмом між затвором G і T1. Ця властивість дозволяє симістору працювати в усіх чотирьох квадрантах ВАХ (рисунок 3.12). Для управління режимом роботи симістора використовується низьковольтний сигнал, що подається на керуючий електрод. При подачі напруги на керуючий електрод симістор переходить з закритого стану у відкритий і пропускає через себе струм.

Симістор відкривається, якщо через керуючий електрод проходить відпираючий струм, або якщо напруга між його електродами Т1 і Т2 перевищує деяку максимальну величину (це часто призводить до несанкціонованих спрацьовувань симістора, і відбувається при максимумі амплітуди напруги живлення). У режимі змінного живлення зміна станів симістора викликається зміною полярності напруги на робочих електродах Т1 і Т2. Симістор переходить в закритий стан після зміни полярності між його виводами, або якщо значення робочого струму менше струму утримання.

Рисунок 3.12 – Робота симістора у чотирьох квадрантах

Коли затвор управляється постійним струмом або однополярними імпульсами з нульовим значенням струму навантаження, у квадрантах 3+, 3− бажаний негативний струм затвора. По-перше, внутрішній будові переходів симістора характерно те, що затвор найбільш віддалений від області основної провідності в квадранті 3+. По-друге, при більш високому значенні відпираючого струму Igt потрібен більш високий піковий струм затвору Ig. Крім того, низьке значення максимально допустимої швидкості зміни струму після перемикання dі/dt може викликати перегоряння затвора при управлінні навантаженням, що створює різкі зміни струму dі/dt (включення холодної лампи розжарювання, або ємнісного навантаження). Також, чим вище струм спрацьовування I_L, тим більша тривалість струму затвору Ig буде необхідна для малих навантажень, що дозволить струму навантаження з початку напівперіоду досягти значення вище за струм I_L.

Ці дані отримані з вольт-амперної характеристики симістора. Позитивній напрузі T2 відповідає позитивне значення струму, і навпаки (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 – Вольт-амперна характеристика симістора

Контрольні питання

1. Структури тиристорів.

2. Режими роботи та ВАХ тиристору.

3. Параметри тиристорів.

4. Фізичні процеси в тиристорі при відкриванні струмом керування.

5. Схема заміщення тиристора.

6. Енергетичні діаграми тиристора.

7. Принцип дії симістора.

8. Управління симісторами.

9. Динамічні характеристики тиристорів.

10. Особливості потужних тиристорів

Питання до самостійної роботи

1. Еволюція тиристорних структур та конструкцій.

2. Тенденції розвитку тиристорів.

3. Вплив температури на роботу тиристорів.

4. GTO тиристор.

5. Тиристори GCT та IGCT: параметри, області застосування.

6. Ефекти du/dt та di/dt.

7. Аналіз переваг та недоліків тиристорів.

8. Області застосування тиристорів.

9. Захист тиристорів.

10. Апроксимація ВАХ тиристора.

ТЕСТИ

1. Знайдіть ділянку ВАХ тиристора з негативним зворотнім опором на запропонованій ВАХ.

а) 4-3; б) 3-2; в) 2-1; г) 1-5; д) 2-5;

2. Знайдіть траєкторію на заданій ВАХ тиристора, по якій проходить робоча точка при запиранні прибору:

а) 4-3-2-1; б) 4-3-1; в) 4-3-2-1-5; г) 4-3-2; д) 1-2-3-4;

3. ВАХ діодного тиристора на ділянці, де тиристор закритий, у неявній формі описується виразом: , де α – коефіцієнт передачі тиристора, М- коефіцієнт ударної іонізації тиристора, I – струм через тиристор, Iк0 – зворотній струм колекторного переходу тиристора. У якому випадку буде виконуватися умова переключення тиристора з закритого стану у відкритий?

а) М=1;

б) М=0;

в) =1;

г) М=1;

д) М=0.

4. Назвіть режим роботи, в якому використовується напівпровідниковий тиристор.

а) у ключовому режимі;

б) у режимі підсилення;

у) у підсилювальному режимі за умов, що тиристор є трьохелектродним;

г) як в ключовому режимі, так і у режимі підсилювання;

д) в генераторному режимі.

5. Назвіть режим роботи, в якому використовується тиристор GTO.

а) в активному режимі;

б) у режимі підсилення;

у) у підсилювальному режимі за умов корекції струму драйвера;

г) як в ключовому режимі, так і у режимі підсилювання;

д) у ключовому режимі.

6. З чим пов'язаний ефект di/dt в тиристорі?

а) з процесами несанкціонованого вмикання;

б) з процесами несанкціонованого вимикання;

у) з обмеженнями струму драйвера;

г) з інерційністю розповсюдження області початкового вмикання;

д) з роботою тиристора в ключовому режимі.

7. З чим пов'язаний ефект du/dt в тиристорі?

а) з процесами несанкціонованого вимикання;

б) з процесами несанкціонованого вмикання;

у) з обмеженням напруги керуючого електроду;

г) з розповсюдженням області початкового вмикання;

д) з роботою тиристора в ключовому режимі.

8. До чого може привести перевищення значень di/dt в тиристорі?

а) до несанкціонованого вимикання;

б) до несанкціонованого вмикання;

у) до нагрівання тиристорної структури;

г) з уповільненням розповсюдженням області початкового вмикання;

д) до пробою переходу керівний електрод-анод.

9. Що таке струм утримання?

а) фотострум фототиристора;

б) основний струм тиристора, при якому він залишається у відкритому стані;

у) струм драйвера тиристора, при якому він залишається у відкритому стані;

г) це основний струм транзисторної структури;

д) цей струм пов'язаний із роботою тиристора в ключовому режимі.

10. В яких квадрантах ВАХ може працювати симістор?

а) тільки в першому;

б) в першому та третьому;

в) в першому та другому;

г) в усіх квадрантах;

д) першому, третьому та четвертому.