Тиристоры

                                  (7.6)

      Обычно  G = = 3-5.

      Второй  этап характеризуется резким снижением  токов I_А и I_К (рис. 7.12, а, б). В течение этого этапа происходит дальнейшее снижение концентрации носителей заряда в обеих базах структуры. Этап заканчивается тогда, когда эта концентрация становится равной нулю, при этом по цепи управляющего электрода и катода протекает обратный ток.

      На  третьем этапе происходит рассасывание неосновных носителей и ток тиристора снижается до нуля (рис. 7.12, а).

      Основное  конструктивное отличие запираемых тиристоров от обычных (незапираемых) заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев  с n- и p-проводимостями.

      Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных 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), так же равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

      Анодный слой р имеет шунты (зоны с n-типом проводимости), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах для снижения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

      Запираемые  тиристоры изготавливают в штыревых и таблеточных корпусах, устанавливаемых на типовых охладителях. 
 
 

7.9. Специальные типы тиристоров 

7.9.1. Оптотиристоры 

      Основу  таких тиристоров составляет оптоэлектронная  пара, состоящая из четырехслойной кремниевой структуры и излучающего  диода. Так как цепи излучающего  диода электрически изолированы  от кремниевой структуры и управление происходит только за счет энергии светового луча светодиода, то такой прибор обеспечивает электрическую изоляцию силовых цепей от цепей управления, что упрощает системы управления тиристорами. Промышленность выпускает оптотиристоры на токи 6,3; 10; 40; 100; 160; 250; 320 А.

      Приборы на токи:

      – 6,3; 10 А – имеют прижимную конструкцию (прикрепляются к охладителю винтами);

      – 40; 100; 160 А – имеют штыревую конструкцию;

      – 250 и 300 А – имеют таблеточную  конструкцию.

      Максимальное  рабочее напряжение электрической  изоляции между силовыми и управляющими выводами составляет 1000 В. 

7.9.2. Тиристоры с улучшенными динамическими свойствами 

      Обычные тиристоры предназначены для  работы при частоте 500 Гц. Динамические свойства тиристоров определяются продолжительностью времени включения t_вкл и времени выключения t_выкл. Время выключения тиристора всегда намного больше времени его включения и является поэтому определяющим.

      Промышленность  выпускала тиристоры марок ТД (динамические), ТБ (быстродействующие) и ТЧ (частотные), обладающими улучшенными  свойствами. Обозначение тиристоров выполнено в соответствии с применявшейся в 80-х годах прошлого столетия маркировкой. 
 
 

7.9.2.1. Тиристоры  ТД (динамические) 

      Данные  тиристоры рассчитаны на частоту 500 Гц, но могут работать и при высоких  скоростях. Для этой цепи в p-n-p-n-структуре применен эмиттер с локальными короткозамкнутыми участками, которые обеспечивают шунтирование емкостных токов. Применение специальной технологии создания p-n- переходов и высокая однородность их параметров по всей площади полупроводниковой структуры позволили повысить стойкость тиристоров к импульсной токовой нагрузке и обеспечить их работу при высоких скоростях нарастания тока при включении. 

7.9.2.2. Тиристоры ТБ (быстродействующие) 

      Эти тиристоры обладают существенно  уменьшенным t_выкл и t_вкл при значительных предельных токах и неповторяющихся напряжениях, а также повышенной стойкостью к скорости нарастания прямого напряжения и тока (t_выкл » 20-50 мкс,  t_вкл » 5 мкс). Эти свойства обеспечивают работоспособность тиристоров ТБ при частотах до 10 кГц. 

7.9.2.3. Тиристоры ТЧ (частотные) 

      Предназначены для работы на частоте 25 кГц (t_выкл » 12-30 мкс,  t_вкл » 5 мкс). Повышение быстродействия этих тиристоров достигается путем специального выполнения p-n- переходов (уменьшение толщины базовых областей) и использование золота в качестве легирующей примеси, что ускоряет процесс рекомбинации электронов и дырок. Эти меры обеспечивают уменьшение времени жизни дырок в n-базе p-n-перехода, что ускоряет рассасывание заряда, накопленного в полупроводниковой структуре в период прохождения прямого тока. От этого заряда и скорости его рассасывания зависит переходного процесса запирания вентиля.

      Тиристоры ТБ и ТЧ применяют в инверторах, импульсных регуляторах, прерывателях и преобразователях частоты. 
 

7.9.3. Тиристор, проводящий в обратном направлении (асимметричный) 

      Тиристор  имеет более тонкий слаболегированный  слой n₁, так как между ним и слоем p₁ выполняется промежуточный слой n⁺₁. Вследствие этого уменьшается импульсное прямое напряжение во включенном состоянии и снижается время выключения. Зато при обратном напряжении переход П₁ не имеет возможности расширяться в сторону базы n₁ и поэтому имеет пробивное напряжение всего несколько десятков вольт. 

7.9.4. Тиристор с обратной проводимостью (тиристор-диод) 

      Тиристор подобен обычному тиристору, с которым параллельно включен диод в обратном направлении. Применяется технология несимметричных тиристоров с их преимуществами и устраивается в структуре интегральный антипараллельный диод, изолированный от центральной секции прорезью или диффузионным защитным кольцом. 

7.9.5. Комбинированно-выключаемый тиристор (КВК) 

      Это по существу обычный тиристор, время выключения которого существенно снижается благодаря смещению в обратном направлении управляющего перехода П₃ в процессе запирания. Слой p₂ выполняется низкоомным, а катод гребенчатой структуры, что увеличивает эффект выключения в процессе запирания. 

7.9.6. Полевой тиристор 

      Это новый тип тиристора, управляемый  напряжением, который в перспективе может заменить запираемый тиристор. Полевой тиристор представляет собой переключатель мощности, состоящий из p-i-n-диода с управляющим электродом в виде сетки.

      Когда анод положительнее катода, а на сетке низкое напряжение, анод инжектирует  дырки в i-слой, сопротивление его снижается, напряжение между анодом и катодом в открытом состоянии 1 В. Если на сетку подано высокое отрицательное напряжение, то вследствие сильного расширения области, обедненной зарядами, вокруг сетки под катодом образуется обедненный слой. Сетка выполняет роль эффективного коллектора, принимающего дырки из n-слоя. Образуется потенциальный барьер для электронов, инжектируемых из катода n⁺₁. В отсутствие электронов дырки также не могут инжектироваться анодом. Прибор оказывается в закрытом состоянии. В процессе запирания ток анода I_А переключается в цепь сетки.

      При росте отрицательного напряжения на сетке увеличивается анодное  напряжение отпирания прибора. 

7.10. Конструкции тиристоров 

      Силовые тиристоры выполняются штыревой и таблеточной конструкции так же, как и силовые диоды. Для защиты р-n-p-n-структуры от поверхностного пробоя используются фаски. Одноступенчатая фаска (рис. 7.13) для эмиттерного перехода J₁ обратная, а для коллекторного J₂ – прямая. В этом случае эмиттерный переход значительно лучше защищен от пробоя обратным напряжением, чем коллекторный от пробоя прямым напряжением. Поэтому одноступенчатая фаска применяется для относительно низковольтных тиристоров (на напряжение примерно до 1200 В). Для высоковольтных тиристоров, как правило, применяются двухступенчатые  фаски  (рис. 7.13,  б).  При  этом  угол α₁ принимается равным 30° + 45°, а угол α₂ ≈ 1,5° + 4°. Такая фаска используется для тиристоров напряжением примерно до 4 кВ. Для тиристоров на более высокие напряжения предложены фаски в форме "ласточкиного хвоста" (рис. 7.13, в) и V-образные (рис. 7.13, г).

      Основным  достоинством фасок формы "ласточкин  хвост" и V-образных является меньшая их ширина l_ф, что позволяет получить большую активную поверхность структуры при заданном диаметре кремния. При диаметрах кремниевых структур до 16 мм их напаивают на вольфрамовые или молибденовые диски. Структуры диаметром более 16 мм со стороны анодного слоя сплавляются с термокомпенсатором (алюминиевая или силуминовая фольга) и собираются в корпусе c прижимными контактами к катодным слоям (рис. 7.14). Тиристорная структура 1 сплавлена с термокомпенсатором 2. ухступенчатая фаска защищена компаундом 3. Катодные поверхности и вывод управляющего электрода от базы р₂ металлизированы алюминием 4.

      Полупроводниковые элементы силовых тиристоров монтируются  в герметичные корпуса различных конструкций: штыревые с паяными прижимными контактами и таблеточные. Отличия корпусов тиристоров от корпусов диодов состоят в том, что элементы их имеют дополнительные отверстия для управляющих электродов.

а                                                           б

в                                                           г

Рис 7.13. Фаски p-n-p-n-структуры тиристора: а – одноступенчатая;

б –  двухступенчатая; в – "ласточкин хвост"; г – V-образная 

Рис. 7.14. Тиристорный элемент со сплавным термокомпенсатором 

      Рассмотрим  типичную конструкцию корпуса штыревого  тиристора с паяными контактами и боковым расположением управляющего электрода (рис. 7.15, а).

      К основанию 1 припаивается тиристорный  элемент 2. К основанию 1 приварено стальное кольцо 3, к которому сваркой прикрепляется коваровая втулка 4. Управляющий электрод имеет внутренний вывод 5, который посредством коваровой втулки 6 выводится наружу, где заканчивается наконечником 7. С помощью коваровой втулки 5 с наконечником 9 через стеклянный изолятор 10 внутренним выводом 11 выводится катод тиристора. Основание заканчивается шпилькой 12 для крепления тиристора в охладителе. Через нее выводится анод тиристора.

а                                                           б

Рис 7.15. Тиристор штыревой конструкции с паяными (а)

и прижимными (б) контактами 

      В тиристоре с прижимными контактами (рис. 7.15, б) тиристорный элемент с односторонним термокомпенсатором 1 помещается на медном основании 2. К основанию припаян стальной стакан 3. Крышка корпуса состоит из стальной манжеты 4 и керамического изолятора 5. Внутренний вывод управляющего электрода 6 с помощью коваровой втулки 7, наконечника 8 соединяется с гибким внешним выводом 9. Наконечник 10 катода с помощью внешнего силового гибкого вывода 11, нижний конец которого 12 вставлен в трубку 13 и обжат, соединяется внутренним основным выводом катода 14. Этот вывод имеет отверстие сложной конфигурации, через которое проходит внутренний управляющий вывод. Манжетой 15 тарельчатые пружины 16 прижимаются к изолятору 17, обеспечивая необходимое усилие в прижимных контактах. С помощью пружины 18 через изолятор создается усилие нажатия на полусферический наконечник 19 внутреннего вывода управляющего электрода. Такая конструкция наиболее часто применяется при диаметрах структур от 16 до 32 мм.

      Размеры тиристоров штыревой конструкции в  зависимости от типа тиристора изменяются в следующих пределах: I – от 20 до 45 мм с жестким выводом и от 70 до 110 мм с гибким выводом; N – от 11 до 18 мм; D – от 12 до 45 мм; Е (размер под ключ, на рис. 7.15 не показан) – от 11 до 41 мм; W – от М 5 до М 24.