Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Тиристоры






В силовой преобразовательной технике получили распространение полупроводниковые управляемые вентили, называемые тиристорами. Промышленность выпускает мощные тиристоры различных типов на токи от 10 до 2000 А, маломощные тиристоры КН (тиристоры диодные) и КУ (тиристоры триодные) на токи от 1 до 10 А.

Принцип действия. Тиристоры изготовляются из кремния и содер­жат четыре чередующихся слоя с проводимостями типов р и п, которые образуют три р-п -перехода П1, П2 и ПЗ (рис. 13, а). Такой четырехслойный вентиль со структурой р-п - р-п получают последовательной диффу­зией в кремний акцепторной и донорной примесей при высокой темпе­ратуре.

 

Рис. 13. Принципиальная схема четырехслойной структуры тиристора /а) и егоэквивалентная электрическая схема (б)

 

Поскольку каждый переход обладает вентильными свойствами, электрическую схему тиристора можно представить в виде трех последовательно включенных диодов (рис. 13, б). Однако эти диоды связаны между собой таким образом, чти дырки из области р1 первого диода могут инжектироваться в область п1, второго диода, а электроны из об­ласти п2 третьего диода могут инжектироваться в область р2 второго диода, так же как это имеет место в транзисторах. В соответствии с этим средние слои тиристора называют базовыми областями, или базами при­бора, крайние р-п -переходы П1 и ПЗ, включенные в прямом направле­нии, — эмиттерными переходами, а средний переход П2, включенный в обратном направлении, — коллекторным переходом.

В зависимости от способа управления прибором различают тиристо­ры диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Первые имеют два электрода (анод и катод), вторые — еще и третий вывод (управляю­щий). Анодом тиристора, соединенным с положительным полюсом источника электрической энергии, служит крайний слой p1, катодом --крайний слой п2.

Когда к диодному тиристору приложено напряжение U пр, - в прямом направлении (рис. 14, а), переходы П1 и ПЗ открыты, но тиристор заперт переходом П2 (между слоями п1 – р2), который включена непроводя­щем направлении. Дырки и электроны, инжектированные из областей р1 и п2 в базовые области п1 и р2, не доходят до коллекторного перехо­да и не оказывают влияния на его сопротивление. Через вентиль прохо­дит малый прямой ток утечки I УТ, приблизительно равный обратному току закрытого перехода П2. С увеличением напряжения прямой ток вентиля возрастает незначительно, так как он

 

 

 

 

Рис. 14. Схема прохождения электричес­кого тока через диодный тиристор при включении на небольшое напряжение (а) и открытии тиристора (б)

 

 

ограничен большим сопро­тивлением перехода П2. Этот режим называется режимом прямого запер­того состояния тиристора, ему соответствует участок ОА прямой ветви вольт-амперной характеристики (рис. 15, а). При дальнейшем увеличе­нии приложенного к вентилю напряжения до значения U вкл, который называется напряжением включения, происходит процесс, аналогичный происходящему в транзисторах. Под действием сильного электрического поля в коллекторном переходе П2 (см. рис. 14, б) дырки, инжектиро­ванные из области р 1 и базовую область п 1, проходят через этот переход и быстро втягиваются во вторую базовую область р 2. Аналогично элек­троны, инжектированные из области п 2 в базовую область р 2, проходят через переход П2 и втягиваются в область п 1. При этом резко увеличи­вается число дырок и электронов, проходящих через коллекторный переход П2 (происходит как бы лавинный пробой этого перехода), и ток вентиля возрастает до значения I вкл, называемого током включения.

Ток включения при прохождении через открытые переходы П1 и ПЗ вызывает дополнительную инжекцию дырок из области р 1, в область п 1и электронов из области п 2 в область р 2,, что еще больше увеличи­вает ток через переход П2. Процесс инжекции носит лавинообразный характер и приводит к полному открытию вентиля. Напряжение на вентиле резко уменьшается до значения суммарного падения напряжения во всех переходах, и далее тиристор работает как полупроводнико­вый диод, находящийся в открытом состоянии.

Процесс открытия вентиля соответствует участку АБ

(см. рис. 15, а) вольт-амперной характеристики, участок БВ имеет такой же ха­рактер, как и в вольт-амперной характеристике полупроводникового диода. Тиристор будет находиться во включенном состоянии до тех пор, пока проходящий через него прямой ток I пр достаточен для инжек­ции электронов и дырок в слои п 1 и р 2. При снижении тока вентиля до некоторого значения, меньшего тока удержания или тока выключения I выкл, вентиль переходит в выключенное состояние, так как число инжектируемых носителей электричества оказывается недостаточным для поддержания перехода П2 в открытом состоянии.

Характерной особенностью тиристоров является то, что напряжение включения можно значительно снизить. Для этого применяют триодные тиристоры, которые имеют дополнительный управляющий электрод (рис.16).

Если на электрод У подать положительный потенциал от вспомога­тельного источника тока, то через переход П3, кроме тока утечки 1 ут, будет проходить ток управления I у (рис.16, а). Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя п 2 в слой р2, и далее часть из них будет перебрасываться электрическим полем перехода П2 в слой п 1. Одновременно увеличивается и встречная инжекция дырок из слоя п 1, в слой p 2, т. е. происходит увеличение тока, созданного неосновными носителями через переход П2. Когда суммарный ток, проходящий через переход П2, превысит ток включения I вкл, происходит открытие тиристора, после чего носители электричества будут свободно переходить через все его четыре области.

Чем больше ток I у управляющего электрода, тем при меньшем напряжении включения U вкл открывается тиристор (см. рис. 15, б). Если ток I у2 больше тока I У1, соответственно напряжение включения

Uвкл2 меньше Uвкл1. При достаточно большом токе управления I У3вентиль начинает работать как полупроводниковый диод, т. е. вольт-амперная характеристика его не будет иметь выступа, соответствующего прямому запертому состоянию. После того как тиристор открылся, он будет удерживаться в открытом состоянии прямым током, прохо­дящим через переход П2, и управляющий электрод перестанет влиять на прохождение тока (его можно отключить от вспомогательного источ­ника питания).

 

 

Рис. 15. Вольт-амперные характеристики диодного (а) и триодного (б) тиристоров

 

 

а)

т пг пз

 


 

Рис. 16. Прохождение тока через триодный тиристор при подаче напряжения на уп­равляющий электрод (а) и после открытия тиристора (б) (заштрихованными стрелками показано направление движения электронов, светлыми — дырок)

 

Рассмотрим, как распределяются токи в четырехслойной структуре тиристора при его открытом состоянии. Электроны инжектируются из слоя п 2 (рис. 16, б) в слой р 2 и далее проходят в слой п 1, образуя электронный ток 1п. Дырки инжектируются из слоя р 1, в слой п 1, и далее проходят в слой р 2, образуя дырочный ток Iр. Кроме того, через коллек­торный переход П2 протекают электронная и дырочная составляющие то­ка утечки I ут (обратного тока коллекторного перехода). В базовых областях р 2и п 1, происходит частичная рекомбинация электронов и ды­рок, поступающих туда из слоев п 2 и р 1, с дырками и электронами, образующими составляющие тока утечки. В результате этого электрон­ный и дырочный токи, входящие в слои п1 и р 2 (транзитные составляю­щие), будут меньше токов In и IP в слоях п 2 и р 1. По аналогии с тран­зистором транзитные составляющие можно обозначить через а n I n и ар I р, где ап, ар — коэффициенты передачи тока соответственно для элек­тронного и дырочного токов.

Тиристор может находиться в трех стабильных состояниях: закры­том при положительном потенциале на аноде, закрытом при отрицатель­ном потенциале на аноде и открытом.

Переключить вентиль в открытое состояние при положительном потенциале на аноде можно двумя способами:

1) подать на вентиль напряжение включения U „. При этом возрас­тает ток, проходящий через коллекторный переход /72, вследствие чего происходит его лавинный пробой; увеличиваются коэффициенты а а и М и выражение М (ап + ар); когда оно становится равным единице, ток I резко возрастает - тиристор открывается. В этом режиме ток I практически не зависит от проводимости тиристора и определяется только приложенным напряжением U и сопротивлением внешней цепи;

2) включить ток управления Iy, который является током базы для транзистора n1-p2-n2: при этом резко увеличивается коэффициент передачи an, а затем и аp, вследствие чего тиристор открывается.

Практически тиристор может быть открыт подачей импульса тока на управляющий электрод при любом значении питающего напряжения. Для того чтобы открыть его, требуется незначительный ток Iy, так как в тиристоре имеет место так называемый транзисторный эффект; небольшая мощность, поданная в цепь управляющего электрода, управляет во много раз большей мощностью в главной цепи вентиля. Коэффициент усиления мощности для тиристоров на ток 100-320 А составляет око­ло 104-105.

При освещении полупроводника светом происходит разрыв связей электронов со своими атомами и обра­зование электронно-дырочных пар. При определенной энергии лучей света электроны и дырки могут преодолеть электронно-дырочный пере­ход полупроводника и вызвать протекание через него электрического то­ка. Если осветить лучом света достаточной мощности четырехслойную полупроводниковую структуру, то возникший в структуре ток приве­дет к смещению запертого р-п -перехода и включению тиристора, подобно тому, как это происходит при подаче управляющего импульса. На этом эффекте основана работа оптоэлектронных тиристоров.

Если к тиристору приложено напряжение в обратном направлении, то он закрывается переходами П1 и ПЗ независимо от наличия напряже­ния на управляющем электроде. Вольт-амперная характеристика тирис­тора при этом будет такая же, как и у неуправляемого полупроводни­кового вентиля. Этот режим называется режимом обратного запертого состояния. В этом случае через тиристор проходит малый обратный ток утечки I ут.обр., приблизительно равный обратному току закрытых переходов П1 и ПЗ.

Если тиристор включен в цепь переменного тока, то он закрывается автоматически после того, как изменится знак (направление) приложен­ного к нему напряжения. Чтобы закрыть тиристор, включенный в цепь постоянного тока, отключают питающее напряжение либо приклады­вают к тиристору обратное напряжение от предварительно заряженного с требуемой полярностью конденсатора; последний способ называют искусственной коммутацией.

Процессы включения и выключения, Тиристор включается подачей импульса тока на его управляющий электрод. Так как после отпирания вентиля ток управления больше не влияет на его работу, то для управ­ления тиристором могут применяться кратковременные импульсы тока (несколько сотен микросекунд). Для четкого управления импульс тока управления должен иметь достаточную крутизну - примерно 1—5 А/мкс.

При подаче импульса управления (рис. 17, а) тиристор переходит из запертого состояния в открытое не мгновенно, так как для инжекции носителей электричества в слои р 2 и п 1 требуется определенное время. За время включения t в принимают промежуток времени от момента подачи управляющего импульса до момента, когда напряжение на венти­ле уменьшается до 10 % первоначального значения (при работе тиристо­ра на активную нагрузку). В зависимости от мощности тиристоров оно составляет 2-20 мкс. Время включения обычно разделяют на время задержки t з и время нарастания тока t н. За время t з напряжение U прна вентиле снижается со 100 до 90%. При этом ток растет от нуля при­мерно до 10% установившегося значения. За время t н напряжение уменьшается с 90 до 10%, а ток возрастает примерно от 10 до 90%. Физичес­ки в течение времени t з происходит первоначальная инжекция электро­нов из эмиттерной области п 2 в базовую область р 2. Ток, проходящий через вентиль в это время, увеличивается сравнительно медленно и опре­деляется главным образом числом электронов, протекающих через пе­реход П 2. В течение времени t н происходит резкое уменьшение сопротив­ления электронно-дырочного перехода П2, что вызывает лавинообразное нарастание прямого тока. Переходный процесс заканчивается, когда напряжение на приборе падает до значения D U пр, а прямой ток достигает установившегося значения I пр, определяемого напряжением источника тока и сопротивлением внешней цепи. С увеличением амплитуды импу­льса тока управления и крутизны фронта импульса время задержки и общее время включения уменьшаются. Большое значение для надежной работы тиристоров имеет также скорость нарастания тока при вклю­чении. Включение тиристора начинается в зоне управляющего электрода, и далее область проводимости распространяется по всей поверхности р-п -перехода со скоростью около 0, 1 мм/мкс. При высокой скорости нарастания прямого тока (выше нескольких десятков ампер в микро­секунду) ток проходит в начальный момент только по части структуры тиристора (вблизи его управляющего электрода) и возможен местный тепловой пробой вентиля.

Выключить тиристор можно, уменьшая прямой ток ниже значения тока удержания, но в этом случае время запирания будет довольно боль­шим. Чтобы запереть прибор в течение минимального времени, к нему нужно приложить обратное напряжение. В этом случае начинается про­цесс исчезновения носителей электричества из слоев р 1 ,, п 1 ,, р 2, и п 2 за счет их рекомбинации и ухода через р-п -переходы.

Процесс выключения тиристора может быть подразделен на несколько этапов. В первый период t1 (рис. 17, б) происходит уход дырок и электронов из зон, прилегающих к переходам П1 и П3, что вызывает появление в цепи вентиля обратного тока, напряжение на вентиле D U пр остается еще положительным. Во второй период t2 переходы П1 и П3 восстанавливают свои запирающие свойства и обратный ток уменьшается до значения, равного обратному току утечки I ут.обр. Напряжение на тиристоре при этом возрастает до значения Uобр, определяемого источником тока, от которого подается обратное напряжение.

Промежуток времени t восст от момента прохождения прямого тока через нулевое значение до момента уменьшения обратного тока до зна­чения тока утечки I ут. обр, называется временем 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 среднему перехо­ду П2, имеется еще достаточно большая концентрация дырок и электро­нов.

Снижение ее осуществляется в результате рекомбинации дырок и электронов и требует некоторого времени t 3. Только после этого пере­ход П2 запирается и появляется возможность вновь прикладывать к вен­тилю прямое напряжение U пр.

Промежуток времени t выкл от момента прохождения прямого тока через нулевое значение до момента, когда можно повторно приложить к вентилю прямое напряжение U пр без опасности его отпирания, назы­вается временем выключения тиристора, или временем восстановления запирающих свойств в прямом направлении. Время выключения тиристоров составляет 12—250 мкс. Тиристоры в зависимости от времени выключения делятся на девять групп. Обычно время выключения тиристоров значительно больше времени включения. Поэтому оно является определяющим при выборе частоты включения таких приборов в различ­ных установках для преобразования электрического тока.

 

 


Рис. 17. Изменение тока и напря­жения при открытии (а) и закры­тии (б) тиристора

 

Большое значение для работы тиристоров имеет также и скорость нарастания прямого напряжения на закрытом вентиле. Закрытый тирис­тор ведет себя подобно конденсатору, через который протекает некото­рый зарядный ток. Этот ток пропорционален скорости изменения прило­женного к нему напряжения, и если он достигает значения тока включе­ния тиристора, то возможно открытие вентиля при отсутствии сигнала управления и прямом напряжении, меньшем напряжения включения. Минимальная скорость нарастания прямого напряжения, при которой происходит переключение 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 э.п.с. применяют тиристоры с кри­тической скоростью нарастания прямого напряжения не менее 200 В/мкс. Ограничивается также скорость нарастания прямого тока; в зависи­мости от этой величины тиристоры делятся на девять групп. На э.п.с. применяют тиристоры со скоростью нарастания тока не менее 70 А/мкс.

Основные параметры тиристоров. Для тиристоров, так же как и для диодов, основными параметрами являются: предельный прямой ток, перегрузочная способность, прямое падение напряжения, повторяющееся и неповторяющееся прямое или обратное напряжения, сопротивление вентиля в прямом и обратном направлениях и температурный режим. Кроме того, существует и 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 цепи управления. Нашей промышленностью выпуска­ются тиристоры на предельные токи от 10 до 2000 А.

Прямое падение напряжения при амплитудном значении предель­ного тока у тиристоров несколько больше, чем у диодов, и может сос­тавлять в зависимости от номинального (предельного) тока от 1, 75 до 2, 3 В. Объясняется это тем, что они имеют выпрямительный элемент большей толщины и току приходится преодолевать сопротивление не одного, а трех р-п -переходов. В маломощных тиристорах КН и КУ пря­мое падение напряжения достигает 2В.

Также как и диоды, тиристоры делятся на классы по допустимому повторяющемуся напряжению. В соответствии с государственным стан­дартом предусматривается выпуск тиристоров следующих классов:

0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 0; 2, 5; 3, 0; 4, 0; 5, 0; 6, 0; 7, 0; 8, 0; 9, 0; 10; 11; 12;

13; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 26.

Напряжение включения U вкл (см.рис. 44) в тиристорах приблизи­тельно равно максимальному обратному пробивному напряжению U проб, так как обе эти величины определяются электрической прочностью двух примерно одинаковых р-п -переходов. Следовательно, они зависят от класса вентиля. При повышении температуры напряжение включения, так же как и напряжение пробоя, уменьшается.

Токи утечки I ут и I ут.обр. характеризуют вентильные свойства закрытого тиристора в прямом и обратном направлениях. Для мощных тиристоров эти токи не превосходят в зависимости от предельного тока 10—40 мА при предельном значении приложенного к тиристорам напря­жения и максимально допустимой температуре структуры.

 

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.