А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

ток (10–6 … 10–3 А), называемый током утечки. Ток утечки (ID) – ток через закрытый ТС в прямом направлении. Значению этого тока соответствует проекция т. А (рисунок 7.6) на ось ординат. Величина его практически не зависит от поданного напряжения и остается очень малой даже при достаточно больших (102 … 103 В, в зависимости от класса ТС) напряжениях.

При дальнейшем увеличении напряжения ток через ТС несколько возрастает. Это вызвано тем, что в закрытых VT1 и VT2 начинается лавинный пробой переходов Б1–К1 и Б2–К2, который приводит к незначительному увеличению IБ1 (IК2) и IБ2 (IК1). Этому режиму работы ТС соответствует участок АВ прямой ветви ВАХ на рисунке 7.6.

Несмотря на некоторое увеличение тока на участке АВ, транзисторы VT1 и VT2 все равно находятся в области отсечки, а ТС считается закрытым. Работе ТС на участке ОВ соответствует схема замещения на рисунке 7.7, а, где VT1 и VT2 окрашены в цвет, соответствующий области отсечки на рисунке 4.4.

111

Рисунок 7.7 — Стадии открытия тиристора при токе управления IG = 0: на участке ОВ рисунка 7.6 (а) и на участке ВС рисунка 7.6 (б, в, г, д, е, ж, з)

112

Участок ОВ прямой ветви ВАХ ТС практически полностью повторяет ВАХ диода в обратном направлении. Однако, если у обычных диодов в обратном направлении после лавинного наступает тепловой пробой и диод выходит из строя, то в ТС при приложении прямого напряжения после т. В происходят следующие процессы.

Допустим, что при лавинном пробое ток в Цепи 2 IБ2 (IК1) увеличился чуть больше, чем ток IБ1 (IК2) в Цепи 1, и стал равен IБ2′ (IК1′). Это приводит к приоткрыванию VT2, то есть он начинает переходить из области отсечки в активную область (рисунок 7.7, б).

Так как VT2 приоткрылся, то его сопротивление К2–Б2–Э2 VT2 несколько уменьшилось, и под действием, прикладываемого к ТС, напряжения UF по Цепи 1 потечет небольшой ток IБ1′ (IК2′). Этот ток в свою очередь приоткроет VT1, который также начнет переходить из области отсечки в активную область (рисунок 7.7, в).

Приоткрытие VT1 снизит сопротивление Э1–Б1–К1 VT1, и под действием напряжения UF по Цепи 2 ток увеличится с IБ2′ (IК1′) до IБ2′′ (IК1′′). Этот ток полностью переведет VT2 в активную область (рисунок 7.7, г).

При работе в активной области сопротивление К2–Б2–Э2 VT2 еще больше снижается, что приводит к увеличению тока в Цепи 1

с IБ1′ (IК2′) до IБ1′′ (IК2′′). Этот ток также полностью переводит VT1 в активную область (рисунок 7.7, д).

Дальнейшее снижение сопротивления Э1–Б1–К1 VT1 увеличива-

ет ток в Цепи 2 с IБ2′′ (IК1′′) до IБ2′′′ (IК1′′′). Транзистор VT2 начинает переходить из активной области в область насыщения (рисунок 7.7, е).

Сопротивление К2–Б2–Э2 VT2 резко падает, и ток в Цепи 1 еще больше возрастает с IБ1′′ (IК2′′) до IБ1′′′ (IК2′′′). При этом и транзистор VT1 начинает переходить из активной области в область насыщения (рисунок 7.7, ж).

Далее оба транзистора перейдут в область насыщения, сопротивление их упадет практически до нуля, и по ним под действием внешнего напряжения потечет большой ток (рисунок 7.7, з). Тиристор откроется.

Таким образом, благодаря поочередному открытию VT1 и VT2, вся тиристорная структура переходит из закрытого состояния, с сопротивлением близким к бесконечности (разомкнутый ключ), в открытое, с сопротивлением близким к нулю (замкнутый ключ). Достаточно приоткрыть какой-либо из транзисторов, как вся структура переходит в открытое состояние под действием прикладываемого к ТС напряжения UF. Открыв друг друга и перейдя в область насы-

113

щения, VT1 и VT2 держат сами себя в открытом состоянии благодаря токам баз транзисторов, которые протекают под действием внешнего напряжения (рисунок 7.7, з).

Открытию ТС соответствует участок ВС на прямой ветви ВАХ (пунктирная линия на рисунке 7.6). Весь переходный процесс, изображенный на рисунках 7.7, а – з (переход из т. В в т. С на рисунке 7.6), происходит практически мгновенно.

Прямое напряжение, при котором ТС при IG = 0 переходит из закрытого состояния в открытое, называется максимальным напряжением переключения (U(B O)m).

Ток, при котором ТС при IG = 0 переходит в открытое состояние, называется током включения (IL).

Значениям U(BO)m и IL соответствуют проекции т. В (рисунок 7.6) на оси абсцисс и ординат.

После включения ТС напряжение на нем (UF) падает практически до нуля, а ток во внешней цепи будет определяться только внешним напряжением ЕА и сопротивлением нагрузки RH (рисунок 7.5):

Этому режиму работы ТС соответствует участок CD на прямой ветви ВАХ (рисунок 7.6), который аналогичен ВАХ диода в прямом направлении.

Из вышесказанного следует первый способ открытия ТС – увеличить прямое напряжение между анодом и катодом до максимального напряжения переключения U(BO)m.

На участке CD ТС находится в открытом состоянии под действием тока, протекаемого по внешней цепи (7.2), так как токи IБ1 и IБ2, поддерживающие VT1 и VT2 в открытом состоянии, являются составляющими IА (7.1) (рисунок 7.7, з).

Поэтому, чтобы закрыть работающий ТС, необходимо ток внешней цепи IА уменьшить ниже некоторой величины, при которой токи

IБ1 и IБ2 начнут закрывать VT1 и VT2.

Для закрытия ТС достаточно уменьшить ток базы одного из транзисторов, например IБ1. При этом VT1 перейдет из области насыщения в активную область, что вызовет снижение тока в Цепи 2 (рисунок 7.7, е). Ток Цепи 2, являясь током IБ2, также переведет VT2 из области насыщения в активную (рисунок 7.7, д). Это еще уменьшит ток Цепи 1 (рисунок 7.7, г). Снижение тока Цепи 1 еще больше закроет VT1 и так далее. Процесс заканчивается переходом обоих транзисторов в область отсечки (рисунки 7.7, з – а) и закрытием ТС.

114

Минимальный прямой ток, поддерживающий ТС в открытом состоянии при отсутствии тока управления (IG = 0), называется током удержания (IH). Значению этого тока соответствует проекция т. C прямой ветви ВАХ ТС (рисунок 7.6) на ось ординат.

Из вышесказанного вытекает первый способ закрытия тиристора – уменьшить прямой ток по ТС до величины ниже тока удержания IH.

7.3.3 Работа тиристора по схеме замещения при прямом напряжении и IG > 0

Допустим, что в схеме по рисунку 7.5 к цепи управления приложено положительное напряжение UG («+» на +УЭ, «–» на –УЭ) и по контуру +УЭ, Б2, Э2, –УЭ протекает небольшой (10–6 … 10–3 А) ток IG, равный IG1. При этом прямое напряжение ЕА, прикладываемое к нагрузке и двум транзисторам, плавно увеличивается от нуля до некоторой величины.

Пока напряжение UF, прикладываемое к VT1 и VT2, невелико (участок ОА1 на рисунке 7.8), по базе VT2, согласно (7.1), протекает ток коллектора закрытого VT1 и ток управления IG1. Однако суммы этих токов недостаточно, чтобы приоткрыть VT2, и ТС остается закрытым (рисунок 7.9, а).

115

При дальнейшем увеличении напряжения начинается лавинный пробой перехода Б1–К1, и ток по Цепи 2 возрастает (участок А1В1 на рисунке 7.8). Когда напряжение UF достигает величины U(BO)1 (т. В1 на рисунке 7.8), ток базы VT2, который равен IБ2 = IК1 + IG1, приоткрывает VT2 (рисунок 7.9, б).

Далее процесс развивается аналогично процессу включения ТС при IG = 0 (рисунки 7.7, в – з) – увеличивается IБ1, приоткрывается VT1, увеличивается IБ2, открывается VT2 и так далее до полного открытия ТС (участок В1С на рисунке 7.8).

Рисунок 7.9 – Стадии открытия тиристора при токе управления IG > 0: на участке ОА1 (а) и в точке В1 (б) рисунка 7.8

Таким образом, небольшой ток управления IG1 позволяет снизить напряжение переключения ТС с максимального U(BO)m до U(BO)1.

Если еще увеличить ток управления до IG2 или IG3 (рисунок 7.8), то напряжение переключения ТС снизится соответственно до U(BO)2

или до U(BO)3.

Дальнейшее увеличение тока IG настолько может уменьшить напряжение переключения, что при каком-то токе управления ТС будет работать как диод (участок ОСD на рисунке 7.8).

Минимальный ток управления, при котором ВАХ ТС аналогична ВАХ диода, называется отпирающим током управления (I GТ).

Минимальное напряжение на УЭ, соответствующее отпирающему току IGТ, называется отпирающим напряжением управления (U GТ).

Из вышесказанного вытекает второй способ открытия ТС – подать между УЭ и катодом ТС отпирающее напряжение управления.

Рассмотрим, что произойдет с открытым ТС, если к его цепи управления приложить отрицательное напряжение UG («–» на +УЭ,

116

«+» на –УЭ) (рисунок 7.10, а). В этом случае по цепи: –УЭ, Э2, Б2, +УЭ потечет ток управления IG, который будет направлен против часовой стрелки. Он несколько снизит ток базы VT2, но перевести открытый VT2 из области насыщения в активную область отрицательно направленный IG не сможет, так как IG << IБ2 (IG — миллиамперы, IБ2 — сотни ампер).

Рисунок 7.10 — Подача на УЭ тиристора отрицательного тока управления (а) и схема замещения двумя транзисторами тринистора с управлением по аноду (б)

Поэтому закрыть ТС, проводящий ток в прямом направлении, подачей отрицательного тока управления, соизмеримого с отпирающим током управления, нельзя.

Принцип работы тринисторов с управлением по аноду (рисунок 7.1, в) аналогичен. Отличие заключается в том, что для открытия этих полупроводниковых приборов необходимо подать отрицательное, относительно анода, напряжение управления, то есть сначала открыть VT1 (рисунок 7.10, б).

7.3.5 Работа тиристора по схеме замещения при обратном напряжении

Допустим, что в схеме по рисунку 7.5 к нагрузке и двум транзисторам приложено обратное напряжение ЕА («–» ЕВХ на верхней клемме, а «+» ЕВХ – на нижней), которое плавно увеличивается от нуля до некоторой максимальной величины. В этом случае VT1 и VT2 будут закрыты, и ток по ним будет очень мал, так как обусловлен неосновными носителями зарядов. Сопротивление ТС близко к беско-

117

нечности (разомкнутый ключ). Увеличение обратного напряжения практически не скажется на величине тока даже при достаточно больших (102 … 103 В, в зависимости от класса ТС) напряжениях (участок ОЕ на рисунках 7.5 и 7.8).

Когда обратное напряжение достигает напряжения пробоя U(BR) (т. Е на рисунках 7.5 и 7.8), происходит выход ТС из строя.

Поэтому второй способ закрытия ТС – подать между его анодом и катодом обратное напряжение. Второй способ закрытия ТС является частным случаем первого, так как смена полярности с прямой на обратную уменьшает прямой ток ТС до нуля, что приводит к надежному закрытию ТС.

7.4 Сравнение тиристоров и биполярных транзисторов

7.4.1 По мощности управления

Отпирающий ток управления тиристоров весьма мал и составляет десятки миллиампер, тогда как ток, протекаемый в прямом направлении, у современных силовых ТС достигает нескольких тысяч ампер. Такая величина тока управления объясняется тем, что он не должен переводить транзисторы VT1 и VT2 схемы замещения (рисунок 7.5) из области отсечки в область насыщения. Ему достаточно приоткрыть VT2, после чего VT1 и VT2 сами откроются под действием внешнего напряжения UF. Поэтому коэффициент усиления по току у мощных ТС приближается к 106.

Для перевода биполярного транзистора из области отсечки в область насыщения (см. раздел 5) необходимо, чтобы его ток управления (ток базы) составил от 1 до 10 % силового тока (тока коллектора). Поэтому коэффициент усиления по току у биполярных транзисторов не превышает 102.

Следовательно, коэффициент усиления по току у тиристоров в ты-

сячи раз больше, чем у биполярных транзисторов.

После включения ТС необходимость в токе управления отпадает, так как VT1 и VT2 (рисунок 7.5) поддерживаются в области насыщения своими базовыми токами IБ1 и IБ2, которые протекают под действием напряжения внешней цепи. Поэтому ТС можно открывать кратковременными маломощными импульсами.

В биполярных транзисторах ток управления (ток базы) должен протекать всегда, пока требуется, чтобы транзистор был открыт. Как

118

только ток базы прекратится, транзистор перейдет в область отсечки и закроется.

Следовательно, мощность системы управления, которая требуется

для работы тиристорных устройств, на несколько порядков ниже, чем для устройств, выполненных на транзисторах.

Это является основным преимуществом ТС по сравнению с транзисторами.

7.4.2 По способам закрытия

Биполярные транзисторы по их цепи управления можно как открывать, подавая прямое смещение на переход эмиттер-база, так и закрывать, подавая обратное смещение (рисунок 5.1).

Чтобы закрыть работающий ТС, нужно либо уменьшить прямой ток до величины ниже тока удержания, либо подать между анодом

икатодом обратное напряжение. Закрыть ТС, проводящий ток в прямом направлении, подачей отрицательного тока управления нельзя (рисунок 7.10, а).

То, что обычные тиристоры нельзя закрыть по цепи управления, является их недостатком по сравнению с транзисторами. Такие ТС называют полууправляемыми полупроводниковыми приборами (их можно только открывать системой управления), в отличие от транзисторов — управляемых полупроводниковых приборов (их можно открывать и закрывать системой управления). Диоды соответственно называют неуправляемыми полупроводниковыми приборами.

Транзисторы следует применять в переключающих схемах малой

исредней мощности, где мощность системы управления не играет существенной роли. В устройствах большой мощности (преобразователи тяговых подстанций и подвижного состава) необходимо использовать ТС.

Удобнее всего использовать ТС в переключающих схемах на переменном токе (регулируемых выпрямителях, зависимых инверторах, бесконтактных выключателях переменного тока), так как смена полярности питающего напряжения приводит к закрытию ТС.

Для того чтобы закрыть ТС, в схемах постоянного тока обычно используют схемы с предварительно заряженными конденсаторами. В момент, когда необходимо закрыть ТС, производится разряд конденсатора, при этом ток разряда протекает встречно прямому току открытого ТС, снижая его ниже величины тока удержания. Тиристор закрывается.

119

7.5 ВАХ идеального тиристора

Для изучения теории работы тиристорных преобразовательных устройств очень часто ТС можно рассматривать как идеальный, то есть имеющий сопротивление в прямом открытом направлении равное нулю (замкнутый ключ), а прямом закрытом и обратном направлениях – равное бесконечности (разомкнутый ключ). Такому идеальному ТС соответствует ВАХ, изображенная на рисунке 7.11.

Конечно, не всегда ТС можно рассматривать как идеальный прибор. Например, при определении КПД тиристорного преобразователя необходимо пользоваться его реальной ВАХ (рисунок 7.8).

Практически во всех преобразовательных устройствах ТС работают либо с током управления IG = 0, либо IG = IGТ . При этом прямое напряжение, подаваемое на ТС, всегда меньше максимального напряжения переключения U(BO)m.

Поэтому при рассмотрении работы и построения диаграмм во всех далее рассмотренных схемах можно считать, что при прямом напряжении до подачи управляющего импульса ТС есть разомкнутый ключ (участок ОВ на рисунке 7.11), а после подачи – замкнутый (участок ОD на рисунке 7.11). При обратном напряжении ТС всегда можно считать разомкнутым ключом (участок ОЕ на рисунке 7.11). Иногда еще тиристоры называют управляемыми диодами. Когда импульс управления не подан, ТС представляет разомкнутый ключ, а когда подан – диод.

120