1.4. Тиристоры

1.4.1. Принцип действия тиристора

Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояни­ями, имеющий три или более p-n-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Традиционным типом тиристора является кремниевый управляемый вентиль (silicon сопtго11еd гесtifiег — SСR), который используется в силовых управляемых преобразователях переменного или постоянного тока частотой 50 (60) Гц. Тиристор является не полностью управляе­мым прибором. Его можно включить, т. е. перевести в проводящее состояние, сиг­налом управления, для того чтобы выключить, необходимо обеспечить спад пря­мого тока до нуля. Поэтому в отечественной технической литературе он иногда называется однооперационным тиристором. В зарубежной технической литера­туре тиристором называют кремниевый управляемый вентиль SСR, а также обыч­ным или традиционным тиристором с неполной управляемостью. Тиристор имеет четырехслойную структуру типа р-п-р-п с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод G (рис. 1.24, а, б).

а б в г

Рис. 1.24. Традиционный тиристор: а — графическое обозначение; б — четырехслойная структура; в — трехслойные структуры; г — эквивалентная схема замещения

Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур типов р- п- р и п -р- п (рис. 1.24, в), эквивалентных структурам биполярных транзисторов. Этой структуре соответствует схема замещения, состоящая из транзисторов VТ1 и VТ2. В этом случае ток анода 1_А может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных транзисторов VТ1 и VТ2

= ,

где и — обратные токи коллекторных переходов транзисторов VТ1 и VТ2; — ток управляющего электрода тиристора; _, — коэффициенты передачи по току эквивалентных транзисторов в схеме с общей базой.

При + = 1 ток i_А резко возрастает. Благодаря положительной обратной связи между током коллектора транзистора VТ1 и током базы i_В2 транзистора УТ2 возникает лавинообразное увеличение тока 1_А. Увеличение тока управляющего электрода тиристора приводит к включению транзистора VТ2, увеличению тока базы i_В1 транзистора VТ1 и его включению. Это связано с наличием внутренней обратной связи. Если ток анода i_А по каким-либо внешним причинам уменьшается до нуля и внутренние емкости эквивалентных транзисто­ров разрядятся, то схема не перейдет в проводящее состояние при прямом напря­жении анод-катод без подачи импульса тока 1_G на управляющий электрод. Таким образом, тиристор способен выдерживать прямое и обратное напряжение, не пере­ходя в проводящее состояние. Тиристор проводит прямой ток при прямом напря­жении и импульсе тока управления. Выключение тиристора происходит после уменьшения прямого тока до нуля и восстановления его запирающей способности.

1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора

Рассмотрим выходные и входные статические ВАХ однооперационного тирис­тора. Типовая схема включения тиристора приведена на рис. 1.25, а. На рис. 1.25, б представлено семейство выходных статических ВАХ при раз­личных значениях тока управляющего электрода. Предельное прямое напряжение, которое выдерживает тиристор без его включения, имеет максимальное значение при = 0. При увеличении тока прямое напряжение снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, а выключенному — ветвь I. Процессу включения соответствует участок III ВАХ. Ток удержания I_н равен минимальному допустимому значению прямого тока анода i_А, при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Зависимость тока утечки от обратного напряжения соответствует ветви IV. При превышении обратным напряжением значения u_Во начинается резкое возрастание обратного тока, приводящее к пробою тиристора. Пробой может быть необрати­мым и приводить к выходу тиристора из строя. В последнем случае энергия, выде­ляющаяся в тиристоре, должна быть ограничена. В качестве нормируемых пре­дельных параметров напряжения в закрытом состоянии обычно указывают повторяющееся и неповторяющееся, прямое и обратное максимально допустимые напряжения.

Рис 1.25. Характеристики тиристора:

а – схема включения; б – выходные ВАХ; в – входные ВАХ

Повторяющееся напряжение — это напряжение, которое тиристор выдерживает без пробоя каждый период на рабочей частоте. Неповторя­ющееся напряжение — это напряжение, которое тиристор выдерживает одно­кратно с последующим длительным перерывом, необходимым для восстановления его структуры. Статические входные ВАХ, характеризующие параметры управления тиристора, представлены на рис. 1.25, в. Семейство ВАХ расположено в области, ограниченной ее значениями при максимально 1 и минимально 2 допустимой рабочей температуре тиристора. Заштрихованная область ограничена минимальными значениями тока I_gmin и напряжения U_gсmах цепи управления, при которых происходит включение тиристора. Существуют также ограничения на мак­симально допустимые значения тока управления Ig mах, напряжения управления _Ugmах и мощности рассеяния Р_gmax.

Ограничения мощности зависят от длительности сигналов управления (кривая корот­ких импульсов управления расположена выше, а длинных — ниже кривой, соответствующей ограни­чению мощности управления для стандартных импульсов управления).