23

10.8. Тиристоры

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно включенными p-n переходами. Наиболее распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников p- и n-типов (рис. 10.35).

Различают управляемые, или триодные, и неуправляемые, или диодные, тиристоры.

Диодный тиристор (динистор) имеет два вывода — анодный и катодный. Его переключение из одного устойчивого состояния в другое, например в цепи переменного тока (см. рис. 6.7), определяется методом нагрузочной характеристики (см. рис. 6.8). Здесь и в дальнейшем примем, что ВАХ тиристоров безынерционные, т.е. I(U)=i(u). При плавном увеличении от нулевого значения ЭДС е_эк=Е_{m эк} sinωt диодный тиристор сначала закрыт и ток в цепи мал (точка 1 на ВАХ, рис. 10.35). В точке 2 ВАХ диодного тиристора напряжение на нем достигнет напряжения включения U=U_вкл. Дальнейшее даже незначительное увеличение ЭДС е_эк приведет к резкому изменению режима работы цепи (точка 3 на ВАХ), т.е. включению диодного тиристора. При уменьшении ЭДС е_эк процессы в цепи протекают в обратном порядке. В точке 4 ВАХ напряжение достигнет напряжения выключения. Дальнейшее уменьшение ЭДС е_эк приводит к выключению диодного тиристора.

Н аходят применение также симметричные диодные тиристоры, условное обозначение и ВАХ которых приведены на рис. 10.36.

Триодный тиристор (тиристор) кроме анодного и катодного выводов имеет еще вывод управляющего электрода УЭ. Последний подключается либо к ближайшей к катоду p-области, либо к ближайшей к аноду n-области. В соответствии с этим различают катодное и анодное управление тиристором. Первое более распространено. Структура тиристора с катодным управлением, его условное обозначение и ВАХ приведены на рис. 10.37. При изменении напряжения управления U_уп изменяется и напряжение включения тиристора U_вкл. Следовательно, его можно использовать как управляемый ключ.

Для выключения триодного тиристора необходимо уменьшить его ток практически до нуля и затем в течение некоторого времени приложить напряжение U<0.

Основной недостаток триодных тиристоров — возможность самопроизвольного включения при отсутствии напряжения управления U_уп=0, но высокой скорости увеличения напряжения между анодом и катодом . Это объясняется увеличением токов через емкости p-n перехода. Самопроизвольное включение триодного тиристора может произойти также при его нагреве в результате термогенерации носителей зарядов (см. § 10.2).

Запираемые триодные тиристоры являются разновидностью управляемых тиристоров, в которых запирание возможно при помощи коротких по длительности импульсов напряжения U_уп обратной полярности. Их условное обозначение приведено на рис. 10.38, а и б для катодного и анодного управлений соответственно.

Тиристоры только с управляемым включением называются однооперационными; тиристоры с управляемым включением и выключением — двухоперационными.

Производятся запираемые тиристоры (IGCT — Integrated Gate Commutated Thyristors) на токи до 4500 А, коммутируемые напряжения до 6000 В и частоту коммутации до 20 кГц.

Основное достоинство запираемых тиристоров относительно биполярных транзисторов с изолированным затвором (см. § 10.7) — большие значения коммутируемых токов и напряжений и меньшая мощность статических потерь.

Запираемые тиристоры применяются в качестве управляемых ключей в устройствах преобразования электрической энергии для электроприводов большой мощности и линий передачи постоянного тока.