Тиристоры

      Выключить тиристор можно, уменьшая I_пр ниже значения тока удержания, но в этом случае время запирания будет большим. Чтобы его снизить, к тиристору необходимо приложить обратное напряжение. В этом случае начинается процесс исчезновения носителей электричества из всех слоев за счет их рекомбинации и ухода через p-n-переходы. 

7.3.2. Переходные процессы при выключении тиристора 

      Рассмотрим  процесс выключения тиристора. Временные  диаграммы электромагнитных процессов при выключении тиристора приведены  на рис. 7.6.

      Процесс состоит из нескольких этапов:

      1) за время t₁ происходит уход дырок и электронов из зон, прилегающих к переходам П₁ и П₃, что вызывает появление в цепи вентиля обратного тока, при этом DU_пр еще остается положительным;

      2) за время t₂ переходы П₁ и П₃ восстанавливают свои запирающие свойства и обратный ток уменьшается до значения тока утечки I_{ут обр}. Напряжение на тиристоре при этом равно обратному напряжению U_обр (определяется источником тока).

      Время (t₁ + t₂) – время восстановления запирающих свойств вентиля в обратном направлении. Однако, за это время вентиль не восстанавливает свои запирающие свойства при включении в прямом направлении, так как в зонах, прилегающих к переходу П₂, имеется еще достаточная концентрация дырок и электронов. Снижение ее осуществляется в результате рекомбинации дырок и электронов и требует некоторого времени t₃. Только после этого переход П₂ запирается и появляется возможность прикладывать к вентилю прямое напряжение U_пр.

Рис. 7.6. Временные диаграммы тиристора  при его выключении 

      Сумма (t₁ + t₂ + t₃) = t_выкл – время выключения тиристора, или время восстановления запирающих свойств в прямом направлении. Обычно время выключения тиристора много больше времени включения, и именно оно является определяющим при выборе частоты включения тиристоров в преобразователях (t_выкл = 12-250 мкс).

      Тиристоры, в зависимости от времени выключения, делятся на девять групп.

      Большое значение для работы тиристора имеет  скорость нарастания прямого напряжения на закрытом вентиле. Закрытый тиристор подобен конденсатору, через который протекает зарядный ток. Этот ток пропорционален скорости изменения приложенного к нему напряжения и, если он достигает значения тока включения, то возможно открытие тиристора при отсутствии сигнала управления и при условии, что U_пр < U_вкл. Минимальная скорость нарастания прямого напряжения U_пр, при которой происходит включение тиристора, даже при номинальном напряжении и отсутствии сигнала на управляющем электроде, называется критической скоростью нарастания прямого напряжения .

      В зависимости от значения критической  скорости нарастания напряжения тиристоры делятся на семь групп (от 0 до 6). На электроподвижном составе и тяговых подстанциях применяют тиристоры со значением критической скорости нарастания напряжения ³ 200 В/мкс.

      Ограничивается  также скорость нарастания прямого  тока. В зависимости от этой величины тиристоры делятся на девять групп (от 1 до 9). На электроподвижном составе и тяговых подстанциях применяют тиристоры с значением критической скорости нарастания тока ³ 70 А/мкс. 

7.4. Основные параметры  тиристоров 

      Как и для диодов, основными параметрами  тиристоров являются:

      – предельный прямой ток I_пр;

      – перегрузочная способность;

      – прямое падение напряжения U_пр;

      – повторяющееся и неповторяющееся  прямое или обратное напряжение;

      – сопротивление вентиля в прямом и обратном направлении;

      – температурный режим.

      Кроме того, существует ряд специфических  параметров:

      – напряжение включения;

      – токи включения и удержания (выключения);

      – обратный и прямой токи утечки;

      – скорость нарастания прямого тока при  включении;

      – скорость нарастания прямого напряжения на закрытом вентиле;

      – время включения и выключения;

      – ток, напряжение и предельное значение мощности в цепи управления.

      Прямое  падение напряжения U_пр при прямом токе I_пр у тиристоров больше, чем у диодов (1,75-2,3 В) вследствие того, что выпрямительный элемент имеет большую толщину и ток преодолевает сопротивления трех p-n-переходов.

      Как и диоды, тиристоры делятся на классы по допустимому повторяющемуся напряжению.

      Напряжение  включения тиристора U_вкл приблизительно равно максимальному обратному пробивному напряжению U_проб, так как обе эти величины определяются электрической прочностью двух p-n-переходов, следовательно они зависят от класса вентиля.

      При повышении температуры значение напряжения включения U_вкл, так же как и значение напряжения пробоя U_проб, уменьшается. Прямой и обратный токи утечки характеризуют вентильные свойства закрытого тиристора в прямом и обратном направлениях. Для мощных тиристоров значения этих токов находится в пределах 20-40 мА при предельном значении приложенного напряжения и максимально допустимой температуры структуры T_jm. 

7.5. Маркировка силовых  тиристоров 

      Приведем  пример маркировки силового тиристора, использующегося в составе выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП4000 электровозов ВЛ 80^Р и ВЛ 85.

      Т 353-800-28-61 УХЛ 2 – Т – тиристор; 3 – порядковый номер модификации конструкции; 5 – модификация по диаметру корпуса (73 мм) по ГОСТ 20859.1–89; 3 – конструктивное исполнение корпуса по ГОСТ 20859.1–89 (таблеточный); 800 – предельный ток (среднее значение), А, при заданной температуре корпуса; 28 – класс по напряжению; 6 – группа по критической скорости нарастания напряжения – 250 В/мкс; 1 – группа по времени выключения – не более 500 мкс; УХЛ – климатическое исполнение по ГОСТ 15150–69 – для умеренного и холодного климата; 2 – категория размещения по ГОСТ 15150–69 – установка в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от внешней среды. 

7.6. Лавинные тиристоры 

      В тиристорах, также как и в диодах, за счет специальных технологий можно  создать такую структуру, в которой  при подаче обратного напряжения возникает лавинный пробой. Такие  тиристоры не выходят из строя  при подаче на них больших значений обратных напряжений. Маркируются они буквами ТЛ (тиристор лавинный). В отличие от обычных тиристоров, они имеют лавинные области на прямой (область АБ) и обратной (область ВГ) ветвях ВАХ (рис. 7.7).

      

      Рис. 7.7. Вольт-амперная характеристика лавинного  тиристора 

      Лавинные  области позволяют включать тиристор не только с помощью тока управления, но и подачей на анод прямого напряжения, большего, чем напряжение включения. Кроме того, лавинные тиристоры ограничивают кратковременные импульсы напряжения так же, как и выпрямительные лавинные диоды.  При  этом  рассеиваемая  энергия  на  p-n-переходе  должна быть не выше 1 Дж.

      Применение  в этих приборах кремния высокой  очистки и однородности, а так же технология изготовления p-n-переходов позволяют повысить допустимую температуру кремниевого элемента до 140 °С, что позволяет увеличить номинальный ток тиристора без увеличения площади p-n-перехода.

      Использование лавинных тиристоров в преобразовательных устройствах дает возможность обойтись без дополнительных устройств защиты и равномерного распределения напряжения между последовательно включенными вентилями. 

7.7. Симметричные тиристоры (симисторы) 

      В  некоторых схемах требуются приборы, которые можно включить как в  прямом, так и в обратном направлении. Этому требованию отвечают симисторы.

      Условное  графическое обозначение симистора  представлено на рис. 7.8.  

                                       а                                б

Рис. 7.8. Условное графическое обозначение (а) и представление симистора в виде двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (б)   

      При подаче импульса тока управления на управляющий  электрод симистор включается при любой полярности анодного напряжения. Выключается– как обычный тиристор.

      ВАХ симистора аналогична ВАХ двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 7.9).

      Выпрямительный  элемент симистора (рис. 7.10) имеет  пятислойную структуру (n-p-n-p-n). Крайние переходы симистора замкнуты металлическими контактами (шунтами Ш₁, Ш₂) электродов А и В. Управляющий электрод подключен к области p₂.

      Если  полярность поданного напряжения следующая (на рис. 7.10 – без скобок): «минус»  на электроде А и «плюс» на электроде  В, то переход П₄ закрыт. При подаче положительного импульса на управляющий электрод (УЭ) ток проходит по пути n₁-p₂-n₃-p₄, как и в обычном тиристоре. 

Рис. 7.9. Вольт-амперная характеристика симметричного  тиристора 

Рис. 7.10. Структура симистора 

      При обратной полярности: «плюс» на электроде  А и «минус» на электроде В, переход П₁ закрыт. Напряжение приложено к слоям p₂-n₃-p₄-n₅. При подаче на управляющий электрод положительного импульса электроны из цепи управления попадают в слой p₂ и под действием поля перехода П₂ переходят в слой n₃, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию дырок из слоя p₂ в слой n₃. Далее дырки переходят в слой p₄, у которого отрицательный потенциал. Возникает лавинный процесс нарастания тока и симистор открывается.

      Прямая  и обратная ветви ВАХ симистора  имеют идентичный характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора.

      Симисторы, как и обычные тиристоры, разбивают  на группы по среднему  падению  напряжения  и  на  классы  по  номинальному  рабочему  напряжению.

      Симисторы применяют в качестве бесконтактных  переключателей и управляемых вентилей для преобразования электрического тока. 

7.8. Полностью управляемые тиристоры  

      Полностью управляемые тиристоры в различных источниках имеют следующие названия: запираемые, выключаемые, двухоперационные, GTO-тиристоры.

      У обычных тиристоров можно управлять  моментом включения, но нельзя управлять моментом окончания токовой проводимости. В связи с этим использование тиристоров в цепях постоянного тока, а также в инверторах, требует применения специальных средств (схем индуктивно-емкостных контуров коммутации), гасящих ток.

      Условное  графическое обозначение запираемого тиристора приведено на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Условное графическое обозначение  запираемого  тиристора 

      В запираемых тиристорах положительным  управляющим импульсом обеспечивается перевод тиристора в проводящее состояние, а отрицательным импульсом – выключение тиристора.

      ВАХ запираемого тиристора аналогична ВАХ обычного тиристора, аналогичен и процесс включения.

      Запираемый  тиристор имеет такую же четырехслойную структуру, что и обычный тиристор, поэтому к ним применим транзисторный аналог. При подаче отрицательного импульса тока управления в базовый слой структуры уменьшается заряд в обоих базах транзисторов. При этом уменьшаются все составляющие тока тиристора и он выключается.

      Переходный  процесс выключения запираемого  тиристора током в цепи управления происходит в три этапа (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Переходные процессы при выключении запираемого тиристора 

      На  первом этапе при протекании тока I_A = const подается импульс тока управления I_у на управляющий электрод (рис. 7.12, а). При этом происходит снижение значения тока катода I_к = (I_А – I_у). Чтобы первый этап перешел во второй необходимо определенное значение запирающего тока управляющего электрода, намного большее, чем значение тока включения (I_{у закр} >> I_{у вкл}). Значение тока запирания I_{у закр} и тока анода I_А связаны значением коэффициента усиления при выключении: