Запираемые тиристоры

Запираемый тиристор - это полностью управляемый полупроводниковый ключ, он отпирается и закрывается по сигналу, подаваемому на управляющий электрод. В зарубежной литературе он называется GTO (Gate Turn Off). Запираемый тиристор, как и обычный, состоит из четырех слоев (рисунок 13.12).

Перед разработчиками силовых запираемых тиристоров встают две задачи. Первая - обеспечить равномерное распределение тока по проводящему сечению кристалла при открытии ключа, что позволит увеличить значение допустимой скорости нарастания анодного тока . А вторая - ускорить процесс выведения неосновных носителей заряда из базовых областей p₂ и n₁, что позволит уменьшить время, необходимое для восстановления запирающих свойств тиристора

Рисунок 13.12 - Структура запираемого тиристора

Для решения первой задачи катодный слой (рисунок 13.12) разбит на несколько сотен равномерно распределенных элементарных ячеек, соединенных параллельно. Это сделано для того, чтобы обеспечить равномерное распределения тока по всему сечению полупроводника в момент его включения и равномерное его снижение при выключении. Для решения второй задачи базовый слой р₂ соединяется с управляющим электродом через большое число выводов (равное числу катодных ячеек), которые также соединены параллельно и равномерно распределены по сечению. Это обеспечивает улучшение условий выведения зарядов из базовой области р₂. В анодном слое формируются шунты (зоны полупроводника n типа малого сечения). Шунты служат для улучшения извлечения зарядов из базы n₁, но используются в том случае, когда параллельно тиристору включается обратный диод, т.к. шунты снижают допустимое обратное напряжение. Таким образом, здесь сделано все, чтобы обеспечить равномерное распределение тока по сечению тиристора и уменьшить время выключения. Рассмотрим процессы включения и выключения тиристоров, временная диаграмма показана на рисунке 13.13.

Рисунок 13.13 - Временная диаграмма процесса коммутации тока

в запираемом тиристоре

Включение тиристора происходит только при положительном анодном напряжении. Переходы П₁ и П₃ смещены в прямом направлении, а П₂ смещен в обратном направлении. Переходы П₁ и П₃ беспрепятственно проводят ток, а к переходу П₂ приложено обратное напряжение равное анодному. Около этого перехода образуется зона, лишенная подвижных носителей заряда, т.е. запирающий слой. Для того, чтобы включить тиристор, к управляющему электроду относительно катода прикладывается положительное напряжение и через переход П₂ протекает ток включения . Скорость нарастания тока управления должна быть достаточно большой, чтобы дырки, поступившие в область , не успели рекомбинировать, за счет этого создается объемный заряд , смещающий переход в прямом направлении. Тиристор включается. Во включенном состоянии теоретически нет необходимости поддерживать ток , но для устойчивой работы поддерживают небольшое значение тока.

Выключение тиристора при положительной полярности анодного напряжения производится путем подачи на управляющий электрод отрицательного напряжения. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к рассасыванию основных носителей заряда области . Происходит рекомбинация дырок с электронами, поступившими из управляющего электрода (интервал ). После того, как заряд базовой области станет менее , ток анода резко уменьшается до минимального значения (интервал ). На интервале восстанавливаются запирающие свойства перехода П₃. Время выключения зависит от амплитуды запирающего тока и скорости его нарастания, которая ограничивается в значительной степени индуктивностью цепи управления.

В блокирующем состоянии тиристор обычно поддерживается подачей на управляющий переход отрицательного напряжения. В этом случае два перехода П₂ и П₃ смещены в обратном направлении.

Использование тиристоров GTO требует применения специальных защитных цепей (рисунок 13.14).

Рисунок 13.14 - Защитные цепи тиристора

Дроссель ограничивает скорость нарастания тока , конденсатор уменьшает скорость нарастания положительного напряжения, резистор ограничивает ток разряда конденсатора при включении тиристора, диод шунтирует резистор в момент выключения тиристора.

Рисунок 13.15 - Система управления тиристором GTO

Система управления GTO (рисунок 13.15) состоит из генератора управляющих импульсов (ГУИ), с которого через оптроны оп1 и оп2 управляющие сигналы подаются на электронные ключи. С помощью двух источников Е1 и Е2 формируются открывающие и закрывающие импульсы тока в цепи управляющего электрода. При включении ключа S1 создается значительный ток, ограниченный резистором R1, по мере заряда конденсатора ток снижается до минимального значения, необходимого для поддержания тиристора в открытом состоянии. Для закрытия тиристора ключ S1 отключается, а включается ключ S2, в цепи управляющего электрода создается ток обратного направления.

Дальнейшее совершенствование управляемых тиристоров происходило в двух направлениях: изменение конструкции прибора и изменение способа выключения. Вывод управляющего электрода изготовлен в форме кольца, опоясывающего корпус тиристора. Кольцо проходит сквозь керамический корпус и контактирует внутри с ячейками управляющего электрода. Полностью управляемый тиристор с кольцевым управляющим электродом получил название Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал современной разновидностью GTO.

Отличие в способе управления GCT заключается в процессе выключения тиристора. Ток управления делают равным или большим анодного тока, причем ток нарастает с большой скоростью, чему способствует малая индуктивность управляющего электрода. Перераспределение токов в процессе выключения показано на рисунке 13.16.

Рисунок 13.16 - Распределение токов в структуре тиристора в процессе выключения

Весь анодный ток, проходящий через тиристор, отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход П_3, он смещается в обратном направлении и транзистор n-p-n закрывается. Изменение конструкции тиристора и способа управления позволило значительно уменьшить время выключения. У GTO время выключения составляет порядка 100 мкс, скорость нарастания тока управления не более 40 А/мкс, а для GCT – 10 мкс и 3000 А/мкс соответственно.

Сравнить свойства силовых полупроводниковых ключей можно по таблице некоторых их параметров (табл.)

Самыми мощными ключами, но работающими только на низких частотах (до 400 Гц), являются однооперационные тиристоры SCR, они позволяют управлять мощностями несколько десятков мега-вольтампер. Вторую ступеньку занимают полностью управляемые тиристоры GTO и GCT с частотой преобразования 2 кГц и коммутируемой мощностью несколько мега вольт-ампер. Затем следует биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT. Он способен коммутировать мощности до одного мега вольт-ампера с частотой 50 кГц. Наибольшие достижения в развитии силовых биполярных транзисторов (BPT) ограничены мощностями в несколько десятков киловольт-ампер, частота коммутации до 10 кГц. Силовые полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) находят применение при мощностях до 10 кВА, на частотах 100 кГц, при этом потребляя минимальную мощность по цепи управления.