Как работают мощные силовые тиристоры. Что такое тиристор и как он работает Схема работы тиристора

Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники началось в 1953 г. когда стало возможным получение кремния высокой чистоты и формирование кремниевых дисков больших размеров. В 1955 г. был впервые создан полупроводниковый управляемый прибор, имеющий четырёхслойную структуру и получивший название "тиристор".

Он включался подачей импульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивается снижением протекающего через него прямого тока до нуля, для чего разработано множество схем индуктивно-ёмкостных контуров коммутации. Они не только увеличивают стоимость преобразоваеля, но и ухудшают его массо-габаритные показатели,снижают надёжность.

Поэтому одновременно с созданием тиристора начались исследования, направленные на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Главная проблема состояла в обеспечении быстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях.

Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn Off (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры.

В середине 90-х годов был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшем развитием GTO-технологии.

Тиристоры GTO

Устройство

Запираемый тиристор - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическая четырёхслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 1 приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) выключаемого тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод K, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоёв с n- и р-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределённые сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.

Основное исполнение тиристоров GTO таблеточное с четырёхслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.

Принцип действия

В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.

На схематичном разрезе тиристорной структуры (рис. 1,б) нижний вывод структуры анодный. Анод контактирует со слоем p.Затем снизу вверх следуют: базовый слой n, базовый слой p (имеющий вывод управляющего электрода), слой n, непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре слоя образуют три p-n перехода: j1 между слоями p и n; j2 между слоями n и p;j3 между слоями p и n.

Фаза 1 - включение. Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом. Переходы j1 и j3 смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Всё напряжение прикладывается к среднему переходу j2, который смещается в обратном направлении. Около перехода j2 образуется зона, обеднённая носителями зарядов, получившая название- область объёмного заряда. Чтобы включить тиристор GTO, к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение положительной полярности U G (вывод "+" к слою p). В результате по цепи протекает ток включения I G .

Запираемые тиристоры предъявляют жёсткие требования к крутизне фронта dIG/dt и амплитуде IGM тока управления. Через переход j3, кроме тока утечки, начинает протекать ток включения I G . Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя n в слой p. Далее часть из них будет перебрасываться электрическим полем базового перехода j2 в слой n.

Одновременно увеличится встречная инжекция дырок из слоя p в слой n и далее в слой p, т.е. произойдёт увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов.

Cуммарный ток, проходящий через базовый переход j2, превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носители зарядов будут свободно переходить через все его четыре области.

Фаза 2 - проводящее состояние. В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе управления I G , если ток в цепи анода превышает величину тока удержания. Однако на практике для того, чтобы все структуры выключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, всё же необходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурного режима. Таким образом, всё время включения и проводящего состояния система управления формирует импульс тока положительной полярности.

В проводящем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают равномерное движение носителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок - в обратном направлении). Через переходы j1, j2 протекает анодный ток, через переход j3 - суммарный ток анода и управляющего электрода.

Фаза 3 - выключение. Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения U T (см. рис. 3) к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности UGR. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведёт к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое p. Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой p из базового слоя n, и электронов, поступивших в этот же слой по управляющему электроду.

По мере освобождения от них базового перехода j2 тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока I Т тиристора за короткий промежуток времени до небольшой величины I ТQT (см. рис. 2). Сразу после запирания базового перехода j2 начинает закрываться переход j3, однако за счёт энергии, запасённой в индуктивности цепей управления он ещё некоторое время находится в приоткрытом состоянии.

Рис. 2. Графики изменения тока анода (iT) и управляющего электрода (iG)

После того, как вся энергия, запасённая в индуктивности цепи управления, будет израсходована, переход j3 со стороны катода полностью запирается. С этого момента ток через тиристор равен току утечки, который протекает от анода к катоду через цепь управляющего электрода.

Процесс рекомбинации и, следовательно, выключения запираемого тиристора во многом зависит от крутизны фронта dIGQ/dt и амплитуды I GQ обратного тока управления. Чтобы обеспечить необходимые крутизну и амплитуду этого тока, на управляющий электрод требуется подать напряжение UG, которое не должно превышать величины, допустимой для перехода j3.

Фаза 4 - блокирующее состояние.В режиме блокирующего состояния к управляющему электроду и катоду остаётся приложенным напряжение отрицательной полярности U GR от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток I GR , состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящего через переход j3. Переход j3 смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2 и j3) смещены в обратном направлении и образованы две области пространственного заряда.

Всё время выключения и блокирующего состояния система управления формирует импульс отрицательной полярности.

Защитные цепи

Использование тиристоров GTO, требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массо-габаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.

Назначение любой защитной цепи - ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи СВ (рис. 3) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dUT/dt при выключении тиристора.

Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dIT/dt при включении тиристора. Значения dUT/dt и dIТ/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.

Рис. 3. Схема защитной цепи

Кроме конденсаторов и дросселей, в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающие разряд и заряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DВ, который шунтирует резистор RВ при выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RВ, ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.

Система управления

Система управления (СУ) содержит следующие функциональные блоки: включающий контур, состоящий из схемы формирования отпирающего импульса и источника сигнала для поддержания тиристора в открытом состоянии; контур формирования запирающего сигнала; контур поддержания тиристора в закрытом состоянии.

Не для всех типов СУ нужны все перечисленные блоки, но контуры формирования отпирающих и запирающих импульсов должна содержать каждая СУ. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку схемы управления и силовой цепи выключаемого тиристора.

Для управления работой выключаемого тиристора применяются две основные СУ, отличающиеся способами подачи сигнала на управляющий электрод. В случае представленном на рис. 4, сигналы, формируемые логическим блоком St, подвергаются гальванической развязке (разделение потенциалов), после чего производится их подача через ключи SE и SA на управляющий электрод выключаемого тиристора Т. Во втором случае сигналы сначала воздействуют на ключи SE (включения) и SA (выключения), находящиеся под тем же потенциалом, что и СУ, затем через устройства гальванической развязки UE и UA подаются на управляющий электрод.

В зависимости от расположения ключей SE и SA различают низкопотенциальные (НПСУ) и высокопотенциальные (ВПСУ, рис. 4) схемы управления.

Рис. 4. Вариант цепи управления

Система управления НПСУ конструктивно проще, чем ВПСУ, однако её возможности ограничены в отношении формирования управляющих сигналов большой длительности, действующих в режиме в режиме протекания через тиристор прямого тока, а также в обеспечении крутизны импульсов управления. Для формирования сигналов большой длительности здесь приходится использовать более дорогие двухтактные схемы.

В ВПСУ высокая крутизна и увеличенная длительность управляющего сигнала достигается проще. Кроме того, здесь сигнал управления используется полностью, в то время как в НПСУ его величина ограничивается устройством разделения потенциалов (например, импульсным трансформатором).

Информационный сигнал - команда на включение или выключение - обычно подаётся на схему через оптоэлектронный преобразователь.

Тиристоры GCT

В середине 90-х годов фирмами "ABB" и "Mitsubishi" был разработан новый вид тиристоров Gate Commutated Thyristor (GCT). Собственно, GCT является дальнейшим усовершенствованием GTO, или его модернизацией. Однако, принципиально новая конструкция управляющего электрода, а также заметно отличающиеся процессы, происходящие при выключении прибора, делают целесообразным его рассмотрение.

GCT разрабатывался как прибор, лишённый недостатков, характерных для GTO, поэтому сначала необходимо остановится на проблемах, возникающих при работе GTO.

Основной недостаток GTO заключается в больших потерях энергии в защитных цепях прибора при его коммутации. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике тиристоры GTO коммутируются с частотой не более 250-300 Гц. Основные потери возникают в резисторе RВ (см. рис. 3) при выключении тиристора Т и, следовательно, разряде конденсатора СВ.

Конденсатор СВ предназначен для ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt при выключении прибора. Сделав тиристор не чувствительным к эффекту du/dt, создали возможность отказаться от снабберной цепи (цепи формирования траектории переключения), что и было реализовано в конструкции GCT.

Особенность управления и конструкции

Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение, которое достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, что делает прибор не чувствительным к эффекту du/dt.

GCT в фазах включения, проводящего и блокирующего состояния управляется также, как и GTO. При выключении управление GCT имеет две особенности:

• ток управления Ig равен или превосходит анодный ток Ia (для тиристоров GTO Ig меньше в 3 - 5 раз);
• управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления dig/dt, равной 3000 А/мкс и более (для тиристоров GTO значение dig/dt составляет 30-40 А/мкс).

Рис. 5. Распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении

На рис. 5 показано распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении прибора. Как указывалось, процесс включения подобен включению тиристоров GTO. Процесс выключения отличен. После подачи отрицательного импульса управления (-Ig) равного по амплитуде величине анодного тока (Ia), весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход j3 (между областями p и n). Переход j3 смещается в обратном направлении, и катодный транзистор npn закрывается. Дальнейшее выключение GCT аналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнего ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt и, следовательно, допускает отсутствие снабберной цепочки.

Изменение конструкции GCT связано с тем, что динамические процессы, возникающие в приборе при выключении, протекают на один - два порядка быстрее, чем в GTO. Так, если минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления при выключении GCT составляет 3000 А/мкс, GTO - не превышает 40 А/мкс.

Чтобы обеспечить высокую динамику коммутационных процессов, изменили конструкцию вывода управляющего электрода и соединение прибора с формирователем импульсов системы управления. Вывод выполнен кольцевым, опоясывающим прибор по окружности. Кольцо проходит сквозь керамический корпус тиристора и контактирует: внутри с ячейками управляющего электрода; снаружи - с пластиной, соединяющей управляющий электрод с формирователем импульсов.

Сейчас тиристоры GTO производят несколько крупных фирм Японии и Европы: "Toshiba", "Hitachi", "Mitsubishi", "ABB", "Eupec". Параметры приборов по напряжению UDRM: 2500 В, 4500 В, 6000 В; по току ITGQM (максимальный повторяющийся запираемый ток): 1000 А, 2000 А, 2500 А, 3000 А, 4000 А, 6000 А.

Тиристоры GCT выпускают фирмы "Mitsubishi" и "ABB". Приборы рассчитаны на напряжение UDRM до 4500 В и ток ITGQM до 4000 А.

В настоящее время тиристоры GCT и GTO освоены на российском предприятии ОАО "Электровыпрямитель" (г. Саранск).Выпускаются тиристоры серий ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА-193, ЗТФ-193 (подобен GCT) и др. с диаметром кремниевой пластины до 125 мм и диапазоном напряжений UDRM 1200 - 6000 В и токов ITGQM 630 - 4000 А.

Параллельно с запираемыми тиристорами и для использования в комплекте с ними в ОАО "Электровыпрямитель" разработаны и освоены в серийном производстве быстровостанавливающиеся диоды для демпфирующих (снабберных) цепей и диоды обратного тока, а также мощный импульсный транзистор для выходных каскадов драйвера управления (система управления).

Тиристоры IGCT

Благодаря концепции жёсткого управления (тонкое регулирование легирующих профилей, мезатехнология, протонное и электронное облучение для создания специального распределения контролируемых рекомбинационных центров, технология так называемых прозрачных или тонких эмиттеров, применение буферного слоя в n - базовой области и др.) удалось добиться значительного улучшения характеристик GTO при выключении. Следующим крупным достижением в технологии жёстко управляемых GTO (HD GTO) с точки зрения прибора, управления и применения стала идея управляемых приборов базирующихся на новом "запираемом тиристоре с интегрированным блоком управления (драйвером)" (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)). Благодаря технологии жёсткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем, т.е. до физических возможностей кремния. Не требуется никаких защитных цепей от превышения du/dt. Сочетание с улучшенными показателями потерь мощности позволило найти новые области применения в килогерцовом диапазоне. Мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO, в основном за счёт прозрачной конструкции анода. Новое семейство приборов IGCT, с монолитными интегрированными высоко мощными диодами было разработано для применения в диапазоне 0,5 - 6 МВ*А. При существующей технической возможности последовательного и параллельного соединения приборы IGCT позволяют наращивать уровень мощности до нескольких сотен мегавольт - ампер.

При интегрированном блоке управления катодный ток снижается до того, как анодное напряжение начинает увеличиваться. Это достигается за счёт очень низкой индуктивности цепи управляющего электрода, реализуемой за счёт коаксиального соединения управляющего электрода в сочетании с многослойной платой блока управления. В результате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока 4 кА/мкс. При напряжении управления UGK=20 В. когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходит в блок управления, который имеет в этот момент низкое сопротивление. За счёт этого потребление энергии блоком управления минимизируется.

Работая при "жёстком" управлении, тиристор переходит при запирании из p-n-p-n состояния в p-n-p режим за 1 мкс. Выключение происходит полностью в транзисторном режиме, устраняя всякую возможность возникновения триггерного эффекта.

Уменьшение толщины прибора достигается за счёт использования буферного слоя на стороне анода. Буферный слой силовых полупроводников улучшает характеристики традиционных элементов за счёт снижения их толщины на 30% при том же прямом пробивном напряжении. Главное преймущество тонких элементов - улучшение технологических характеристик при низких статических и динамических потерях. Такой буферный слой в четырёхслойном приборе требует устранения анодных закороток, но при этом сохраняется эффективное освобождение электронов во время выключения. В новом приборе IGCT буферный слой комбинируется с прозрачным анодным эмиттером. Прозрачный анод - это p-n переход с управляемой током эффективностью эмиттера.

Для максимальной помехоустойчивости и компактности блок управления окружает IGCT, формируя единую конструкцию с охладителем, и содержит только ту часть схемы, которая необходима для управления непосредственно IGCT. Как следствие, уменьшено число элементов управляющего блока, снижены параметры рассеяния тепла, электрических и тепловых перегрузок. Поэтому, также существенно снижена стоимость блока управления и интенсивность отказов. IGCT, с его интегрированным управляющим блоком, легко фиксируется в модуле и точно соединяется с источником питания и источником управляющего сигнала через оптоволокно. Путём простого размыкания пружины, благодаря детально разработанной прижимной контактной системе, к IGCT прилагается правильно рассчитанное прижимное усилие, создающее электрический и тепловой контакт. Таким образом, достигается максимальное облегчение сборки и наибольшая надёжность. При работе IGCT без снаббера, обратный диод тоже должен работать без снаббера. Эти требования выполняет высокомощный диод в прижимном корпусе с улучшенными характеристиками, произведённый с использованием процесса облучения в сочетании с классическими процессами. Возможности по обеспечению di/dt определяются работой диода (см. рис. 6).

Рис. 6. Упрощенная схема трёхфазного инвертора на IGCT

Основной производитель IGCT фирма "ABB".Параметры тиристоров по напряжению U DRM: 4500 В, 6000 В; по току ITGQM: 3000 А, 4000 А.

Заключение

Быстрое развитие в начале 90-х годов технологии силовых транзисторов привело к появлению нового класса приборов - биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Основными преимуществами IGBT являются высокие значения рабочей частоты, КПД, простота и компактность схем управления (вследствие малости тока управления).

Появление в последние годы IGBT с рабочим напряжением до 4500 В и способностью коммутировать токи до 1800 А привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1 МВт и напряжением до 3,5 кВ.

Однако новые приборы IGCT, способные работать с частотами переключения от 500 Гц до 2 кГц и имеющие более высокие параметры по сравнению с IGBT транзисторами, сочетают в себе оптимальную комбинацию доказанных технологий тиристоров с присущими им низкими потерями, и бесснабберной, высокоэффективной технологией выключения путём воздействия на управляющий электрод. Прибор IGCT сегодня - идеальное решение для применения в области силовой электроники среднего и высокого напряжений.

Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом

Тиристор – это полупроводниковый ключ, конструкция которого представляет собой четыре слоя. Они обладают способностью переходить из одного состояния в другое – из закрытого в открытое и наоборот.

Информация, представленная в данной статье, поможет дать исчерпывающий ответ на вопрос об этом аппарате.

Принцип функционирования тиристора

В специализированной литературе этот прибор также носит название однооперационного тиристора. Это название обусловлено тем, что устройство является не полностью управляемым . Другими словами, при получении сигнала от управляющего объекта он может только перейти в режим включенного состояния. Для того чтобы выключить прибор, человеку придется выполнить дополнительные действия, которые и приведут к падению уровня напряжения до нулевой отметки.

Работа этого прибора основывается на использовании силового электрического поля. Для его переключения из одного состояния в другое применяется технология управления, передающая определенные сигналы. При этом ток по тиристору может двигаться только в одном направлении. В выключенном состоянии этот прибор обладает способностью выдерживать как прямой, так и обратное напряжение.

Способы включения и выключения тиристора

Переход в рабочее состояние стандартного этого типа аппарата осуществляет путем поучения импульса токового напряжения в определенной полярности. На скорость включения и на то, как он впоследствии будет работать, влияют следующие факторы:

Выключение тиристора может быть осуществлено некоторыми способами:

1. Естественное выключение. В технической литературе также встречается такое понятие, как естественная коммутация – оно аналогично естественному выключению.
2. Принудительное выключение (принудительная коммутация).

Естественное выключение этого аппарата осуществляется в процессе его функционирования в цепях с переменным током, когда происходит понижение уровня тока до нулевой отметки.

Принудительное выключение включает в себя большое количество самых разнообразных способов. Самым распространенным из них является следующий метод.

Конденсатор, обозначаемый латинской буквой C, соединяется с ключом. Он должен обозначаться маркеровкой S. При этом конденсатор перед замыканием должен быть заряжен.

Основные типы тиристоров

В настоящее время существует немалое количество тиристоров, которые различаются между собой своими техническими характеристиками – скоростью функционирования, способами и процессами управления, направлениями тока при нахождении в проводящем состоянии и др.

Наиболее распространенные типы

1. Тиристор-диод. Такой прибор аналогичен устройству, которое имеет встречно-параллельный диод во включенном режиме.
2. Диодный тиристор. Другое название – динистор. Отличительной характеристикой этого устройства является то, что переход в проводящий режим осуществляется в момент, когда уровень тока превышен.
3. Запираемый тиристор.
4. Симметричный. Он также носит название симистора. Конструкция этого прибора аналогична двум устройствам со встречно-параллельным диодами при нахождении в режиме работы.
5. Быстродействующий или инверторный. Этот тип устройства обладает способностью переходить в нерабочее состояние за рекордно короткое время – от 5 до 50 микросекунд.
6. Оптотиристор. Его работа осуществляется при помощи светового потока.
7. Тиристор под полевым управлением по ведущему электроду.

Обеспечение защиты

Тиристоры входят в перечень приборов, которые критично влияют на изменение скорости увеличения прямого тока. Как и для диодов, так и для тиристоров характерен процесс протекания обратного тока восстановления. Резкое изменение его скорости и падение до нулевой отметки приводит к повышенному риску возникновения перенапряжения.

Кроме того, перенапряжение в конструкции этого прибора может возникать вследствие полного исчезновении напряжения в разнообразных составных частях системы, например, в малых индуктивностях монтажа.

По вышеуказанным причинам в подавляющем большинстве случаев для обеспечения надежной защиты этих приборов применяют разнообразные схемы ЦФТП. Данные схемы при нахождении в динамическом режиме помогают защищать устройство от возникновения недопустимых значений напряжения.

Надежным средством защиты также является применение варистора . Это устройство подключается к местам вывода индуктивной нагрузки.

В самом общем виде применение такого прибора, как тиристор, можно разделить на следующие группы:

Ограничения тиристора

При работе с любым типом этого прибора следует соблюдать определенные правила техники безопасности, а также помнить о некоторых необходимых ограничениях.

Например, в случае с индуктивной нагрузкой при функционировании такой разновидности прибора, как симистор. В данной ситуации ограничения касаются скорости изменения уровня напряжения между двумя основными элементами – его анодами и рабочим током. Для ограничения влияния тока и перегрузки применяется RC-цепочка .

Перед тем как разбираться с темой «тиристор – принцип работы», необходимо понять, что собой представляет этот небольшой прибор. По сути, это силовой ключ, только он всегда находится в открытом состоянии. Поэтому его часто называют не полностью управляемый ключ.

Необходимо отметить, что по своему устройству тиристор напоминает обыкновенный транзистор или диод. Правда, есть и существенные отличия. К примеру, диод – это полупроводниковый двухслойный элемент на кремневой основе (PN), транзистор – трехслойный (PNP или NPN), тиристор – четырехслойный (PNPN). То есть, у него три перехода p-n. Именно поэтому диодные выпрямители перед тиристорными являются менее эффективными. Это хорошо видно на схеме управления тиристорами.

Где применяются тиристоры

Область применения тиристоров обширна. К примеру, из них можно собрать инвертор для сварки или зарядное автомобильное устройство. Некоторые умельцы своими руками собирают даже генераторы. Самое важное, что тиристоры могут через себя пропускать токи и высокочастотные, и низкочастотные. Поэтому, собрав мост из этих приборов, можно изготовить трансформатор и для сварочного аппарата.

Конструкция и принцип действия

Состоит тиристорный ключ из трех частей:

• Анод.
• Катод.
• Вход.

Последний состоит из трех переходов p-n. При этом переключение переходов производится с очень большой скоростью. Вообще, принцип работы тиристора можно объяснить лучше, если рассмотреть схему связки двух транзисторов, связанных параллельно, как выключатели комплементарно регенеративного действия.

Итак, самая простейшая схема двух транзисторов, совмещенных так, чтобы при пуске ток коллектора поступал на NPN второго прибора через каналы NPN первого. А в это же время ток проходит обратный путь через первый транзистор на второй. По сути, получается достаточно простая связка, где база-эмиттер одного из транзисторов, в нашем случае второго, получает ток от коллектора-эмиттера другого прибора, то есть, первого.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока тиристор работает по принципу подачи импульса положительной полярности, конечно, относительно катода. На длительность перехода из одного состояния в другое оказывает большое воздействие ряд характеристик. А именно:

• Вид нагрузки (индуктивный, активный и прочее).
• Скорость нарастания импульса и его амплитуда, имеется в виду ток нагрузки.
• Величина самой токовой нагрузки.
• Напряжение в цепи.
• Температура самого прибора.

Здесь самое важное, чтобы в сети, где установлен данный прибор, не произошло резкое возрастание напряжения. В этом случае может произойти самопроизвольное включение тиристора, а сигнал управления будет в это время отсутствовать.

Цепь переменного тока

В этой сети тиристорный ключ работает немного по-другому. Этот прибор дает возможность проводить несколько видов операций. К примеру:

• Включение и отключение цепи, в которое действует активная или активно-реактивная нагрузки.
• Можно изменять значение действующей нагрузки и ее средней величины за счет возможности изменять (регулировать) подачу самого сигнала управления.

Но имейте в виду, что тиристорный ключ может пропускать сигнал только в одном направлении. Поэтому сами тиристоры устанавливаются в цепь, так сказать, во встречно-параллельном включении.

Управление тиристорами

В силовых электронных аппаратах чаще всего используется или фазное, или широтно-импульсное управление тиристором.

В первом случае регулировать токовую нагрузку можно за счет изменения углов или α, или θ. Это относится к принудительной нагрузке. Искусственную нагрузку можно регулировать только с помощью управляемого тиристора, который также называется запираемый.

При ШИМ (широтно-импульсной модуляции) во время Тоткр сигнал подается, а, значит, сам прибор находится в открытом состоянии, то есть, ток подается с напряжением Uн. В период времени Тзакр сигнал отсутствует, а сам прибор находится непроводящем состоянии.

Тиристорные светодиоды

Обычно тиристор и светодиод в одном светильнике не устанавливаются. Его место заменяет диод, который работает и на включение, и на отключение, как обычный ключ. Это связано с разными причинами, где основная – это конструкция и принцип действия самого прибора, который всегда находится в открытом состоянии. В настоящее время ученые изобрели так называемый тиристорный светодиод.

Во-первых, тиристорный светодиод в своем составе кроме кремния имеет: галлий, алюминий, индий, мышьяк и сурьму. Во-вторых, спектр излучения при n-переходах между материалами создает волну длиною 1,95 мкм. А это достаточно большая оптическая мощность, если ее сравнивать с диодным элементом, который производит световые волны в том же диапазоне.

Принцип действия тиристора

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Тиристор в цепи постоянного тока

Включение обычного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Способы принудительной коммутации весьма разнообразны. Наиболее характерны из них следующие: подключение предварительно заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором CK (рис 3 б); использование колебательного характера переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

Рис. 3. Способы искусственной коммутации тиристоров: а) – посредством заряженного конденсатора С; б) – посредством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного характера нагрузки

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с обратной полярностью, например другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Так как разрядный ток конденсатора направлен встречно прямому току тиристора, последний снижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При этом в начале разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Далее ток LC-контура переходит из тиристора VS в диод VD. Пока через диод VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на комплексную RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный характер с изменением полярности тока нагрузки iн. В этом случае после выключения тиристора VS происходит включение диода VD, который начинает проводить ток противоположной полярности. Иногда этот способ коммутации называется квазиестественным, так как он связан с изменением полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

Включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и варьируются за счёт изменения момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт изменения угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании изменяется одновременно при помощи системы управления. Угол называется углом управления или углом отпирания тиристора.

Наиболее широкое применение в силовых электронных аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

Рис. 5. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла ? , так и угла ? . Искусственная коммутация осуществляется с помощью специальных узлов или при использовании полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к высокочастотным помехам – возникает так называемая электромагнитная несовместимость.

Запираемые тиристоры

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, используемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.

Для устранения этого недостатка разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры называют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) или двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время обладают рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципиально отличное от традиционных тиристоров – свойство полной управляемости. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении идентична ВАХ обычных тиристоров. Однако блокировать большие обратные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и часто соединяется со встречно-параллельно включенным диодом. Кроме того, для запираемых тиристоров характерны значительные падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора необходимо подать в цепь управляющего электрода мощный импульс отрицательного тока (примерно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но короткой длительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20-30 %) по сравнению с обычными тиристорами.

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

тиристор-диод , который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);

диодный тиристор (динистор) , переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);

запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

симметричный тиристор или симистор , который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

тиристор с полевым управлением по управляющему электроду , например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;

оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) - симистор

Защита тиристоров

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS . Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Абсолютно любой тиристор может быть в двух устойчивых состояниях - закрыт или открыт

В закрытом состоянии он находится в состоянии низкой проводимости и ток почти не идет, в открытом, наоборот полупроводник будет находится в состоянии высокой проводимости, ток проходит через него фактически без сопротивления

Можно сказать, что тиристор это электрический силовой управляемый ключ. Но по сути управляющий сигнал может только открыть полупроводник. Чтобы запереть его обратно, требуется выполнить условия, направленные на снижение прямого тока почти до нуля.

Структурно тиристор представляет последовательность четырех, слоев p и n типа, образующих структуру р-n-р-n и соединенных последовательно.

Одна из крайних областей, на которую подключают положительный полюс питания называют анод , р – типа
Другая, к которой подсоединяют отрицательное полюс напряжения, называют катод , – n типа
Управляющий электрод подключен к внутренним слоям.

Для того чтоб разобраться с работой тиристора рассмотрим несколько случаев, первый: напряжение на управляющий электрод не подается , тиристор подсоединен по схеме динистора – положительное напряжение поступает на анод, а отрицательное на катод, смотри рисунок.

В этом случае коллекторный p-n-переход тиристора находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – открыт. Открытые переходы имеют очень низкое сопротивление, поэтому почти все напряжение, следующее от источника питания, приложено к коллекторному переходу, из-за высокого сопротивления которого протекающий через полупроводниковый прибор ток имеет очень низкое значение.

На графике ВАХ это состояние актуально для участка отмеченного цифрой 1 .

При увеличении уровня напряжения, до определенного момента ток тиристора почти не растет. Но достигая условного критического уровня - напряжение включения U вкл , в динисторе появляются факторы, при которых в коллекторном переходе начинается резкий рост свободных носителей заряда, которое почти сразу же носит лавинный характер . В результате происходит обратимый электрический пробой (на представленном рисунке – точка 2). В p -области коллекторного перехода появляется избыточная зона накопленных положительных зарядов, в n -области, наоборот происходит накопление электронов. Рост концентрации свободных носителей заряда приводит к падению потенциального барьера на всех трех переходах , через эмиттерные переходы начинается инжекция носителей заряда. Лавинообразный характер еще сильнее увеличивается, и приводит к переключению коллекторного перехода в открытое состоянии. Одновременно увеличивается ток по всем областям полупроводника, в результате происходит падением напряжения между катодом и анодом, показанный на графике выше отрезком отмеченным цифрой три. В этот момент времени динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. На сопротивлении R n растет напряжение и полупроводник переключается.

После открытия коллекторного перехода ВАХ динистора становится такой же, как на прямой ветви - отрезок №4. После переключения полупроводникового прибора, напряжение снижается до уровня одного вольта. В дальнейшем увеличение уровня напряжения или снижение сопротивления приведет к увеличению выходного тока, один в один, как и работе диода при его прямом включении. Если же уровень напряжение питания снизить, то высокое сопротивление коллекторного перехода, практически мгновенно восстанавливается, динистор закрывается, ток резко падает .

Напряжение включения U вкл , можно настраивать, внося в любой из промежуточных слоев, рядом с к коллекторным переходом, неосновные, для него носители заряда.

С этой целью используется специальный управляющий электрод , запитываемый от дополнительного источника, с которого следует управляющее напряжение – U упр . Как хорошо видно из графика – при росте U упр напряжение включения снижается.

U вкл напряжение включения – при нем осуществляется переход тиристора в открытое состояние
U o6p.max – импульсное повторяющееся обратное напряжение при нем происходит электрический пробой p-n перехода. Для многих тиристоров будет верно выражение U o6p.max . = U вкл
I max - максимально допустимое значение тока
I ср - среднее значение тока за период U np - прямое падение напряжения при открытом тиристоре
I o6p.max - обратный максимальный ток начинающий течь при приложении U o6p.max , за счет перемещения неосновных носителей заряда
I удерж ток удержания – значение анодного тока, при котором осуществляется запирание тиристора
P max - максимальная рассеиваемая мощность
t откл - время отключения необходимое для запирания тиристора

Запираемые тиристоры - имеет классическую четырехслойную p-n-p-n структуру, но при этом обладает рядом конструктивных особенностей, дающих такую функциональную возможность, как полная управляемость. Благодаря такому воздействию от управляющего электрода, запираемые тиристоры могут переходить не только в открытое состояние из закрытого, но и из открытого в закрытое. Для этого на управляющий электрод поступает напряжение, противоположное тому, которое ранее открывает тиристор. Для запирания тиристора на управляющей электрод следует мощный, но короткий по длительности импульс отрицательного тока. При применении запираемых тиристоров следует помнить, что их предельные значения на 30% ниже, чем у обычных. В схемотехнике, запираемые тиристоры активно применяются в роли электронных ключей в преобразовательной и импульсной технике.

В отличие от своих четырехслойных родственников - тиристоров, они имеют пятислойную структуру.

Благодаря такой структуре полупроводника они имеют возможность пропускать ток в обоих направлениях – как от катода к аноду, так и от анода к катоду, а на управляющий электрод поступает напряжение обоих полярностей. Благодаря этому свойству вольт-амперная характеристика симистора имеет симметричный вид в обоих осях координат. Узнать о работе симистора вы можете из видеоурока, по ссылке ниже.

Если у стандартного тиристора имеются анод и катод то электроды симистора так описать нельзя т.к каждый уго электрод является и анодом и катодом одновременно. Поэтому симистор способен пропускать ток в обоих направлениях. Именно поэтому он отлично работает в цепях переменного тока.

Очень простой схемой, поясняющей принцип симистора является регулятор симисторный регулятор мощности.

После подачи напряжения на один из выводов симистора поступает переменное напряжение. На электрод, являющийся управляющим с диодного моста поступает отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор отпирается и ток поступает в подключенную нагрузку. В момент времени, когда на входе симистора меняется полярность напряжения он запирается. Затем алгоритм повторяется.

Чем выше уровень управляющего напряжения тем быстрее срабатывает симистор и длительность импульса на нагрузке увеличивается. При снижении уровня управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке также снижается. На выходе симисторного регулятора напряжение будет пилообразной формы с регулируемой длительностью импульса. Таким образом, регулируя управляющее напряжение мы можем изменять яркость лампочки накаливания или температуру жала паяльника подключенных в качестве нагрузки.

Итак симистор управляется как отрицательным так и положительным напряжением. Давайте выделим его минусы и плюсы.

Плюсы: низкая стоимость, большой срок службы, отсутствие контактов и, как следствие, отсутствие искрения и дребезга.
Минусы: достаточно чувствителен к перегреву и его обычно монтируют на радиаторе. Не работает на высоких частотах, так как не успевает переходить из открытого состояния в закрытое. Реагирует на внешниепомехи, вызывающие ложное срабатывание.

Следует также упомянуть о особенностях монтажа симисторов в современной электронной техники.

При малых нагрузках или если в ней протекают короткие импульсные токи, монтаж симисторов можно осуществлять без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях – его наличие строго обязательно.
К теплоотводу тиристор может фиксироваться крепежным зажимом или винтом
Для снижения вероятности ложного срабатывания из-за шумов, длина проводов должна быть минимальна. Для подсоединения рекомендуется использовать экранированный кабель или витую пару.

Или оптотиристоры специализированные полупроводники, конструктивной особенностью которого является наличие фотоэлемента, который является управляющим электродом.

Современной и перспективной разновидностью симистора являетсяо оптосимистор. Вместо управляющего электрода в корпусе имеется светодиод и управление происходит с помощью изменения напряжения питания на светодиоде. При попадании светового потока задонной мощности фотоэлемент переключает тиристор в открытое положение. Самой основной функцией в оптосимисторе является то, что между цепью управления и силовой имеется полная гальваническая развязка. Это создает просто отличный уровень и надежности конструкции.

Силовые ключи . Одним из главных моментов, влияющих на востребованность таких схем, служит низкая мощность, которую способен рассеять тиристор в схемах переключения. В запертом состоянии мощность практически не расходуется, т.к ток близок к нулевым значениям. А в открытом состоянии рассеиваемая мощность невелика благодаря низким значениям напряжения

Пороговые устройства – в них реализуется главное свойство тиристоров – открываться при достижении напряжением нужного уровня. Это используется в фазовых регуляторах мощности и релаксационных генераторах

Для прерывания и включения-выключения используются запирающие тиристоры. Правда, в данном случае схемам необходима определенная доработка.

Экспериментальные устройства – в них применяется свойство тиристора обладать отрицательным сопротивление, находясь в переходном режиме

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.