Тема 7. Тиристоры

Тиристор (от греч. thýra – "дверь" и англ. resistor – "сопротивление") – полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, используемый в качестве управляемого переключателя. Тиристоры, в зависимости от приложенного к ним напряжения и сопротивления внешней цепи, могут находиться в двух устойчивых электрических состояниях: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью).

Основными типами тиристоров являются диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 32 (VS – вентиль включающий, А – анод, К – катод; УЭ – управляющий электрод).

 

а) б) в) г) д) е)

Рис. 32. Условные обозначения тиристоров: а – динистор; б – однооперационный тиристор (тиристор с управлением по катоду); в – тиристор с управлением по аноду; г – запираемый или выключаемый тиристор (двухоперационный); д – фототиристор; е – симистор (симметричный тиристор)

 

Динисторы (неуправляемые тиристоры) имеют два вывода от крайних областей структуры – анод и катод. Структура динистора показана на рис. 33, ВАХ – на рис. 34. При подаче прямого напряжения (рис. 33) p-n-переходы и смещаются в прямом направлении, а p-n-переход – в обратном. Динистор находится в закрытом состоянии и все приложенное к нему напряжение падает на переходе . Ток через прибор равен обратному току перехода (на рис. 33, ток утечки на рис. 34). При повышении напряжения ток через прибор увеличивается незначительно до тех пор, пока оно не достигнет значения напряжения переключения , близкого к напряжению пробоя перехода . Участок 0А характеристики соответствует закрытому состоянию динистора.

Рис. 33. Структура динистора	Рис. 34. ВАХ динистора

 

При дальнейшем повышении напряжения происходит пробой перехода , ток динистора резко возрастает, напряжение на переходе падает и на участке АБ положительным приращениям тока соответствуют отрицательные приращения напряжения (дифференциальное сопротивление динистора на этом участке становится отрицательным). При некотором значении тока, равном току удержания , напряжение на переходе становится равным нулю.

Участок БВ характеристики соответствует открытому состоянию динистора. Падение напряжения на динисторе на этом участке называется остаточным . Выключение динистора осуществляется путем уменьшения тока до значения ниже .

Если к динистору приложено обратное напряжение, то переход открыт, а переходы и закрыты. Ток через прибор равен обратному току утечки . При увеличении обратного напряжения происходит пробой переходов и и ток динистора резко возрастает (участок ГД характеристики).

При анализе процесса перехода динистора в открытое состояние его удобно представить в виде двух соединенных между собой транзисторов: p-n-p и n-p-n (рис. 35). Появившийся ток первого транзистора является базовым током для второго и поэтому будет усилен вторым транзистором в раз. Коллекторный ток второго транзистора является базовым током первого, который, в свою очередь, усиливает его.

Рис. 35. Двухтранзисторная модель динистора: а – деление динистора на две структуры; б – схема замещения

 

Таким образом, возникает внутренняя положительная обратная связь, которая приводит к появлению участка АБ с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ и практически мгновенному отпиранию динистора.

Ток перехода представляет собой сумму трех токов:

,

где – обратный ток перехода ; – ток дырок, инжектированных переходом и достигших перехода ; – ток электронов, инжектированных переходом и достигших перехода ; и – коэффициенты передачи тока транзисторов p-n-p и n-p-n (рис. 35, а).

Переходы включены последовательно, поэтому токи переходов и ток во внешней цепи равны между собой:

.

Тогда из предыдущего выражения получаем:

.

.

, (6)

где .

При ток динистора равен (динистор закрыт), при динистор открыт.

Соотношение (6) описывает ВАХ динистора, так как параметры , и зависят от напряжения на переходе . Зависимость этих параметров от напряжения обусловлена умножением носителей заряда в электрическом поле перехода , когда напряжение близко к напряжению пробоя . Коэффициент умножения носителей заряда при этом равен

.

Для электронов и дырок в кремнии коэффициент .

Тринисторы (управляемые тиристоры) кроме выводов от крайних областей (анода и катода) имеют третий управляющий вывод от одной из средних (базовых) областей (рис. 36, а). ВАХ тринистора приведена на рис. 36, б. Ток перехода определяется управляющим током . Наличие управляющего тока приводит к тому, что тиристор открывается при меньшем напряжении переключения.

	б)
Рис. 36. Структура (а) и ВАХ (б) тринистора

При управляющем токе ВАХ спрямляется и тринистор сразу переходит в открытое состояние (в этом случае ВАХ тринистора представляет собой ВАХ диода). Обратная ветвь ВАХ тринистора такая же, как и у динистора.

Симистор (симметричный тиристор) при подаче отпирающего импульса на управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях. ВАХ симистора показана на рис. 37. Симисторы могут использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока.

Запираемый или GTO-тиристор (GTO – Gate-Turn-Off) может быть включен и выключен через управляющий электрод. Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Структура GTO-тиристора показана на рис. 38. Катодный n-слой разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади структуры при выключении прибора. Базовый p-слой, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно.

Рис. 37. ВАХ симистора	Рис. 38. Структура запираемого тиристора

 

Базовый n-слой выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора. Анодный p-слой имеет шунты (n-зоны), соединяющие n-базу с анодным контактом. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

Для выключения GTO-тиристора к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности. В базовом p-слое происходит рассасывание основных носителей заряда (дырок, поступивших в p-слой из базового n-слоя) за счет рекомбинации с электронами, поступающими по управляющему электроду.

Использование GTO-тиристоров требует применения специальных защитных цепей. Назначение любой защитной цепи – ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. Схема включения защитной цепи показана на рис. 39. Конденсатор ограничивает скорость нарастания прямого напряжения при выключении тиристора и подключается параллельно защищаемому прибору. Дроссель ограничивает скорость нарастания прямого тока при включении тиристора и включается последовательно с ним. Диод VD шунтирует резистор при выключении тиристора VS и заряде конденсатора . Резистор ограничивает ток разряда конденсатора при включении тиристора VS. Большие потери энергии в защитной цепи при коммутации – главный недостаток GTO-тиристоров. Основные потери возникают в резисторе в момент разряда конденсатора при включении тиристора. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике GTO-тиристоры коммутируются с частотой не более 250-300 Гц.

В середине 90-х годов фирмами ABB и Mitsubishi был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate-Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшим развитием GTO-технологии. В конструкции GCT удалось отказаться от снабберной цепи, сделав тиристор нечувствительным к скорости нарастания прямого напряжения . Основная особенность GCT, по сравнению с GTO-тиристорами, – быстрое выключение, которое реализуется при запирании превращением тиристорной структуры в транзисторную. Минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO-тиристоров составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс.

При выключении управление GCT имеет две особенности:

1) ток управления равен или превосходит анодный ток (для GTO-тиристоров меньше в 3-5 раз);

2) управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления , равной 3000 А/мкс и более (для GTO-тиристоров значение составляет 30-40 А/мкс).

Распределение токов в GCT при выключении показано на рис. 40. После подачи отрицательного импульса управления весь проходящий через прибор прямой ток отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход . В дальнейшем выключение GCT аналогично выключению биполярного транзистора типа p-n-p.

Создание IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) – запираемого тиристора с интегрированным блоком управления (драйвером) – следующий шаг в развитии GTO-технологии. В этих приборах используется концепция "жесткого" управления. Работая при "жестком" управлении тиристор переходит при запирании из p-n-p-n-состояния в p-n-p-режим за 1 мкс. Скорость выключаемого тока достигает 4 кА/мкс. Использование буферного слоя на стороне анода позволило снизить толщину прибора на 30 % при том же пробивном напряжении. За счет так называемой "прозрачной" конструкции анода мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO-тиристорами. Характеристики современных мощных силовых ключей приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей

Тип прибора	Преимущества	Недостатки	Область применения
SCR (Silicon-Controlled Rectifier) – традиционный тринистор	Самые низкие потери во включенном состоянии. Самая высокая перегрузочная способность. Высокая надежность. Легко соединяются параллельно и последовательно.	Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота.	Привод постоянного тока, мощные источники питания, сварка, плавление и нагрев, статические компенсаторы, ключи переменного тока
GTO	Способность к управляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способность. Возможность последовательного соединения. Рабочие частоты – до 250 Гц при напряжении до 4 кВ.	Высокие потери во включенном состоянии. Очень большие потери в системе управления. Сложные системы управления. Большие потери на переключение.	Электропривод, статические компенсаторы, системы бесперебойного питания, индукционный нагрев
IGCT	Способность к управляемому запиранию. Перегрузочная способность та же, что и у GTO. Низкие потери во включенном состоянии, на переключение. Рабочая частота – до единиц кГц. Встроенный блок управления (драйвер). Возможность последовательного соединения.	Не выявлены из-за отсутствия опыта эксплуатации	Мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока), электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения)
IGBT	Способность к управляемому запиранию. Самая высокая рабочая частота – до 10 кГц. Простая неэнергоемкая система управления. Встроенный драйвер.	Очень высокие потери во включенном состоянии	Электропривод, системы бесперебойного питания, статические компенсаторы и активные фильтры, ключевые источники питания