Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 12
Тиристоры
Тиристор это полупроводниковый прибор, который состоит из трих или более электронно-дырочных переходов и может находиться в одном из двух состояний: высокой проводимости (тиристор открыт) и низкой проводимости (тиристор закрыт). В открытом состоянии тиристор эквивалентен замкнутому электрическому контакту, в закрытом состоянии – разомкнутому контакту. В иностранной литературе они называются Silicon Controlled Rectifier (SCR).
12.1 Классификация тиристоров
Существует несколько разновидностей тиристоров, отличающиеся способом управления. Их условные графические обозначения приведены на рисунке 12.1..
Диодный тиристор (динистор) (рисунок 12.1,а) имеет два вывода: анод и катод. Включение и выключение динистора производится по анодной цепи. Для включения динистора необходимо, чтобы анодное напряжение было больше некоторого напряжения переключения (), а выключение происходит при анодном напряжении меньшем или равным нулю ().
Рисунок 12.1 - Условные графические обозначения тиристоров.
а – диодный тиристор, b –триодный тиристор однооперационный,
с - триодный тиристор двухоперационный.
Триодный тиристор (тринистор) (рисунок 12.1,b и c) отличается от динистора наличием третьего вывода. Этот вывод называется управляющим электродом. Существует две разновидности тиристоров: однооперационные тиристоры (рисунок 12.1,b) и двухоперационные тиристоры (рисунок 12.1,c).
Однооперационные тринисторы открываются по управляющему электроду. Условия открытия тиристора: анодное напряжение положительное () и наличие короткого импульса, тока втекающего в управляющий электрод (). Закрывается однооперационный тиристор по аноду; выключение происходит при анодном напряжении меньшем или равным нулю ().
Двухоперационные тиристоры открываются и закрываются по управляющему электроду. Условия открытия тиристора: анодное напряжение положительное () и наличие короткого импульса тока втекающего в управляющий электрод (). Закрывается двухоперационный тиристор по управляющему электроду; выключение происходит коротким импульсом тока, вытекающего из управляющего электрода (). Выключение происходит также при анодном напряжении меньшем или равным нулю ().
Фототиристор. В отличие от обычного тиристора, фототиристор имеет в корпусе окно для прохождения света. Тиристор можно открывать, воздействуя импульсом светового потока. Существуют фотодинисторы (рисунок 12.2,а) и фототринисторы (рисунок 12.1,b), в последнем случае открытие тиристора возможно подачей электрического сигнала на управляющий электрод.
Рисунок 12.2 - Условно графические обозначения.
а – фотодинистор, b – фототринистор, с – симметричный динистор (диак).
d – Симметричный тринистор (триак), е – тиристорная оптопара с фототиристором, f – тиристорная оптопара с фотосимистором
Симистор. Симметричные тиристоры способны пропускать электрический ток в двух направлениях, предназначены для работы в цепях переменного тока. Симистор можно представить в виде двух обычных тиристоров, включенных встречно-параллельно. Симисторы могут быть диодными (рисунок 12.2,с) и триодными (рисунок 12.2,d). В зарубежной литературе они называются соответственно диак и триак.
Тиристорная оптопара. Тиристорная оптопара состоит из излучателя, обычно это светодиод или светодинистор и приемника - это фототиристор (рисунок 12.2,е) или фотосимистор (рисунок 12.2,f). Управление посредством светового потока позволяет осуществить гальваническую развязку низковольтной цепи управления с высоковольтной коммутируемой цепью.
12.2 Диодный тиристор
Диодный тиристор (динистор) – это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.
В основе структуры динистора лежит четырехслойная p-n-p-n структура, показанная на рисунке 12.3.
Рисунок 12.3 - Структура диодного тиристора (а),
двухтранзисторная модель тиристора(b)
Четыре слоя полупроводника образуют три p-n перехода П1, П2 и П3. Кроме них есть еще два омических перехода, один из которых между слоем p1 и металлическим электродом, называемым анодом, а второй – между слоем n2 и металлическим электродом, называемым катодом.
Свойства тиристора отображаются его вольтамперной характеристикой (рисунок 12.4).
Рассмотрим процессы в динисторе при подаче на него прямого напряжения, то есть положительный потенциал на аноде, а отрицательный – на катоде. В этом случае переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, а переход П2 смещен в обратном направлении и называется коллекторным. Таким образом, у динистора две эмиттерные области (p1 и n2-эмиттеры) и две базовые области (n1 и p2-базы). Эмиттерные области значительно сильнее легированы примесями, чем базовые. Большая часть внешнего напряжения падает на закрытом коллекторном переходе П2. Через тиристор протекает ток закрытого коллекторного перехода П2 , который создается неосновными носителями заряда областей р2 (электронами) и n1 (дырками), что соответствует участку 1 вольтамперной характеристики динистора (рисунок 12.4).
Рисунок 12.4 – Вольт-амперная характеристика динистора
При достижении анодным напряжением значения происходит лавинный пробой перехода П2, концентрация неосновных носителей лавинно увеличивается, что приводит к росту анодного тока (участок 2). Носители заряда, поступившие в области n1 и р2, не успевают рекомбинирововать и накапливаются: электроны в n1 области, а дырки - в р2 области. Появившиеся заряды компенсируют внешнее электрическое поле, наблюдается смена полярности электрического поля, приложенного к переходу П2. Переход П2 открывается, и тиристор переходит в открытое состояние (участок 3). Этот процесс протекает с большой скоростью, что объясняется положительной внутренней обратной связью. Наличие связи можно установить, анализируя двухтранзисторную модель (рисунок 12.3,b), Она состоит из двух транзисторов: VT1 p-n-p типа и VT2 n-p-n типа. Эмиттерные переходы тиристора являются эмиттерными переходами транзисторов, а коллекторный переход тиристора является общим коллекторным переходом обоих транзисторов. Слой n1 – это база VT1 и коллектор VT2, а слой p2 – база VT2 и коллектор VT1, то есть коллекторный ток первого транзистора является базовым током второго, и наоборот.
Анодный ток тиристора складывается из токов коллекторов транзисторов VT1 и VT2
(12.1)
и определяется следующими выражениями:
, (12.2)
, (12.3)
, (12.4)
, (12.5)
где и - дырочная и электронная составляющие обратного тока через переход П2,
- суммарный обратный ток через переход П2,
и - коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT2.
Последнее выражение позволяет показать, что при малых анодных токах, когда , (это объясняется рекомбинацией носителей заряда в базовых областях), то . После пробоя при увеличении тока все центры рекомбинации оказываются занятыми, , а . Процесс переключения форсируется положительной обратной связью. Действительно, как видно из двухтранзисторной модели ток открывает транзистор VT2, а ток , в свою очередь, открывает транзистор VT2.
Участок 4 вольт-амперной характеристики (рис.4) соответствует открытому состоянию тиристора. Все три p-n-перехода находятся под прямым напряжением. Падение напряжения на открытом тиристоре равно падению напряжения на одном p-n-переходе (диоде), т.к. напряжения на переходах П2 и П3 имеют противоположную полярность и компенсируют друг друга.
При обратном включении тиристора, когда к аноду приложен положительный полюс, а к катоду - отрицательный полюс источника переходы П1 и П3 оказываются под обратным напряжением, а П2 - под прямым. Через тиристор протекает обратный ток p-n-перехода (участок 5).
При превышении обратного напряжения значения происходит возрастания тока (участок 6). Это объясняется пробоем перехода П1. Для защиты тиристора от перенапряжений пробою придают лавинный характер, такие тиристоры называют лавинными.
12.3 Триодный тиристор
В триодном тиристоре, в отличие от диодного введен третий электрод – управляющий (рисунок 12.5).
Рисунок 12.5 - Структура триодного тиристора
Управляющий электрод имеет омический контакт с областью р2 – это база транзистора VT2.
Для переключения тринистора из закрытого в открытое состояние тоже необходимо накопление избыточных носителей заряда в базовых областях. В динисторе при повышении анодного напряжения до Uвкл это накопление неравновесных носителей заряда происходит из-за лавинного пробоя коллекторного перехода. В тринисторе, имеющем дополнительный управляющий вывод от базы р2, можно повысить уровень инжекции через прилегающий к ней эмиттерный переход путем подачи на него дополнительного прямого напряжения. Таким образом, можно добиться переключения тринистора в открытое состояние даже при небольшом анодном напряжении, меньшем Uвкл.
Это положение отражается на вольтамперных характеристиках триодного тиристора (рисунок 12.6).
Рисунок 12.6 – Вольт-амперные характеристики триодного тиристора
При увеличении тока управления от до напряжение включения уменьшается. Это объясняется тем, что объемный заряд, смещающий переход П2 в прямом направлении, создается, в основном, за счет тока управления.
Анодный ток триодного тиристора с учетом тока управления определяется выражением
(12.6)
Короткий импульс тока управления вводит в область р2 положительные носители заряда, переход П2 открывается, возникает значительный анодный ток, сумма коэффициентов передачи по току , а . Ток управления после открытия тиристора можно сделать равным нулю, но тиристор останется открытым, т.к. объемный заряд поддерживается за счет протекания анодного тока. Чтобы выключить тиристор необходимо сделать анодный ток меньше тока удержания .
Двухоперационный или полностью управляемый тиристор (GTO- Gate Turn Off) позволяет не только открывать его с помощью управляющего импульса, а также и запирать , путем подачи управляющего импульса отрицательной полярности при положительном напряжении на аноде тиристора. При подаче отрицательного импульса создается управляющий ток противоположной полярности, что приводит к снижению анодного тока тиристора
. (12.7)
Короткий импульс тока управления выводит из области р2 положительные носители заряда, переход П2 закрывается, анодный ток уменьшается до нуля, сумма коэффициентов передачи по току , а . Ток управления после закрытия тиристора можно сделать равным нулю, но тиристор останется в закрытом состоянии, т.к. объемный заряд, который поддерживал переход П2 в открытом состоянии, сменил знак, что приводит к восстановлению запирающих свойств тиристора. Запираемый по затвору тиристор имеет низкое быстродействие. Процесс запирания тиристора длится достаточно долго, т.к. это связано с изменением полярности зарядов на переходе П2.
В цепях переменного напряжения для возможности коммутации тока в обоих направлениях применяют симметричные динисторы (Diac) и симметричные тринисторы (Triac). Diac – это два параллельных встречно включенных динистора, triac - это два параллельных встречно включенных тринистора. Их характеристики симметричны относительно начала координат, например, вольт-амперная характеристика тринистора (рисунок 12.7).
Рисунок 12.7 - Вольт-амперная характеристика симметричного тринистора
Фототиристоры управляются световым потоком, для чего в корпус тиристора вмонтирована оптическая система, которая направляет световой поток в область (см. структуру тиристора на рисунке 12.1). В этой области под воздействием светового потока образуются неосновные носители заряда, что приводит к росту тока , это равносильно подаче импульса тока управления.
Объединение фотодинистора или фототиристора со светодиодом в одном корпусе привело к созданию оптотиристоров. Источник света и приемник изолированы друг от друга, их связывает только световой поток. Это позволяет обеспечить полную гальваническую развязку между низковольтной цепью управляющих сигнало, и высоковольтной цепью, которую коммутирует тиристор.
12.4 Параметры тиристоров
Параметры тиристоров описывают свойства прибора и определяют области его применения. В системе параметров различают предельно допустимые, по ним определяют возможность использования прибора в конкретной ситуации. При превышении даже одного из предельных значений возможен выход прибора из строя. Обычно эти предельные параметры рассчитываются, исходя из конструкции прибора. Характеризующие параметры измеряются прямо или косвенно, они определяют свойства приборов и контролируются в процессе производства. Параметры подразделяются на статические и динамические.
Статические - описывают свойства тиристоров в одном из статических состояний: высокой проводимости или низкой проводимости. Динамические - характеризуют процесс переключения, т.е. переход из состояния низкой проводимости в состояние высокой проводимости и, наоборот, переход из состояния высокой проводимости в состояние низкой проводимости.
12.4.1 Статические параметры тиристоров
Рассмотрим работу тиристора в качестве ключа, который коммутирует последовательно включенную активную нагрузку (рисунок 12.8,а).
Рисунок 12.8 - Схема включения тиристора (а);
к определению статических состояний тиристора (b)
Для определения состояний тиристора построим нагрузочную прямую, отображающую свойства активной нагрузки. Нагрузочная прямая строится по двум точкам в соответствии с уравнением
(12.8)
при положительных и отрицательных значениях Е. Точки пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой дают возможные статические состояния тиристора (рисунок 12.8, b).
Точка А – тиристор закрыт, анодный ток очень мал, практически все напряжение приложено к тиристору в прямом направлении , может достигать нескольких тысяч вольт.
Точка В – соответствует открытому состоянию тиристора; анодное напряжение мало (обычно не более 2…2.5 В), а анодный ток может достигать нескольких тысяч ампер.
Точка С - находится на участке с отрицательным динамическим сопротивлением и является неустойчивой.
Точка D соответствует обратному включению тиристора (Е<0).
Статические параметры тиристора описывают статические состояния, которые определены по вольт-амперной характеристике.
Состояние высокой проводимости (точка В) аналогичню открытому состоянию диода, вольт-амперная характеристика имеет вид, показанный на рис. 9.
Рисунок 12.9 - Вольт-амперная характеристика тиристора
в состоянии высокой проводимости
Характеристика тиристора, как и диода аппроксимируется прямой
. (12.9)
Аппроксимирующая прямая проводится через точки , , .
-максимально допустимое среднее значение тока, длительное время протекающего через тиристор в открытом состоянии. Основной нормирующий показатель, численное значение которого входит в обозначение тиристора. определяется расчетным путем из предельной температуры кристалла при протекании через прибор однополупериодного тока частотой 50 Гц.
Принятая аппроксимация позволяет легко определить импульсное падение напряжения на тиристоре при протекании импульсного тока, близкого к предельному , амплитудное значение которого при однополупериодной форме равно
. (12.10)
Значение является классификационным параметром, по которому тиристоры подразделяются на тиристоры с малыми и большими прямыми напряжениями.
Состояния низкой проводимости точки А и D (рисунок 12.10). В этих точках тиристор должен выдерживать подводимые напряжения. Он не должен самопроизвольно переходить в состояние высокой проводимости или пробоя.
Рисунок 12.10 - Вольт-амперная характеристика тиристора
в состоянии низкой проводимости
В состоянии низкой проводимости нормируются следующие величины:
- максимально допустимое рабочее импульсное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в непроводящем состоянии, исключая повторяющиеся и неповторяющиеся импульсные напряжения. Напряжение определяется питающей сетью без учета переходных процессов в цепях.
- максимально допустимое повторяющееся импульсное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в непроводящем состоянии, исключая неповторяющиеся импульсные напряжения. Эти напряжения возникают за счет переходных процессов, возникающих при коммутации токов. Они появляются с частотой цепи.
- максимально допустимое неповторяющееся импульсное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в непроводящем состоянии. Их появление хаотично, интервал между ними может быть до нескольких секунд. Они появляются в результате кратковременных перенапряжений в питающей сети, вызванных, например, грозовыми разрядами, аварийными отключениями и другими внештатными ситуациями.
На временной диаграмме, показанной на рисунке 12.11, видны различия в определении максимально допустимых импульсных напряжений.
Перечисленные параметры связаны неравенствами:
для прямой ветви закрытого тиристора ,
для обратной ветви тиристора .
Обычно для тиристоров , .
Рисунок 12.11 - К определению максимально допустимых
импульсных напряжений
Напряжение определяет класс тиристора по напряжению. Выделено 50 классов. =Кл*100. Например, если тиристор 7 класса по напряжению, то =700 В.
12.4.2 Динамические параметры тиристоров
Динамические параметры определяют процесс переключения тиристора из закрытого состояния (точка А) в открытое состояние (точка В) под воздействием импульса тока управления. Обратный переход из открытого состояния в закрытое происходит у однооперационных тиристоров за счет изменения полярности приложенного напряжения, а двухоперационных тиристорах - за счет импульса управляющего тока противоположного направления.
Рассмотрим временные диаграммы процесса переключения тиристора (рисунок 12.12).
Рисунок 12.12 - Временные диаграммы переключения тиристора
Процесс включения тиристора. Тиристор не может мгновенно открыться, для перехода из состояния низкой проводимости в состояние высокой проводимости требуется время , которое складывается из времени задержки и времени нарастания . На интервале времени задержки накапливаются заряды на переходе П2, как только заряд превысит некоторое критическое значении происходит смена полярности на переходе и тиристор начинает открываться. Продолжительность определяет минимально необходимую длительность импульса управления . Длительность времени определяется как интервал, на котором ток увеличивается от 0.1 А до 0.9А, где А – установившееся значение анодного тока тиристора в состоянии высокой проводимости, которое зависит от сопротивления коммутируемой нагрузки. В интервале ток нарастает по экспоненте. Это объясняется тем, что ток неравномерно распределяется по сечению кристалла. Первоначально проводят области близкие к управляющему электроду, а затем ток распространяется на другие области . Мгновенная плотность тока зависит от скорости распространения проводящей области и от скорости нарастания анодного тока, которая часто определяется параметрами коммутируемой цепи. Повышенная плотность тока на начальной стадии процесса включения вызывает локальный нагрев. Этот процесс усложняется неоднородностью кристалла, что приводит к повышению температуры в некоторых точках, к снижению сопротивления и к стягиванию тока в «шнуры». Плотность тока в «шнурах» очень высокая, что вызывает прожег кристалла и выход тиристора из строя. Для исключения этого эффекта скорость нарастания тока ограничивается. Она не должна превышать критического значения скорости нарастания анодного тока . Эта величина является динамическим параметром тиристора. После завершения процесса включения тиристор переходит в статический режим.
Процесс выключения тиристора. Для выключения тиристора (однооперационного) необходимо поменять полярность источника питания, т.е. приложить обратное напряжение. На временной диаграмме (рисунок 12.12) в момент времени подается обратное напряжение и ток начинает убывать. В точке ток становится равным нулю, но тиристор в интервале пропускает значительный обратный ток, который вызван рассасыванием зарядов на переходах П1 и П3. Этот интервал называется временем восстановления обратного сопротивления. Затем ток убывает по экспоненте, на этом интервале происходит рекомбинация носителей заряда в переходе П2. Если подать положительное напряжение на анод тиристора раньше, чем пройдет интервал , тиристор самопроизвольно откроется.
Интервал времени от момента прохождения анодного тока через ноль до момента, когда можно подавать положительное напряжение на анод тиристора называется временем восстановления запирающих свойств.
Время восстановления запирающих свойств тиристора является весьма важным динамическим параметром, оно определяет возможное быстродействие силовых преобразователей.
Скорость нарастания прямого напряжения, определяемая внешней цепью, не должна превышать критического значения . При превышении этого значения может произойти самопроизвольное включение тиристора без подачи управляющего сигнала. Такое включение является недопустимым и может привести к аварийной ситуации. Эффект объясняется тем, что за счет емкостей p-n переходов возникает ток
, (12.10)
при ≥возникающий ток воспринимаемый областью p2 как ток управления, приводит к самопроизвольному открытию тиристора.
12.5 Защита тиристоров
Режим работы тиристора в значительной степени определяется внешними цепями. Для защиты тиристора от эффекта и применяются специальные защитные (cнайберские) цепи (рисунок 12.13).
Рисунок 12.13 - Защитные цепи тиристора
Последовательно с нагрузкой и с тиристором включают линейный или насыщающийся реактор, что позволяет уменьшить скорость нарастания тока. При включении тиристора ток через него нарастает по экспоненте
, (12.11)
а скорость нарастания тока зависит от
. (12.12)
Индуктивность реактора должна быть больше минимальной
. (12.13)
Параллельно тиристору подключают RC цепь, что позволяет уменьшить скорость нарастания анодного напряжения. При выключении тиристора напряжение на входе цепи меняется от 0 до Е, а ток , протекающий по RC цепи, определяется выражением
, (12.14)
где ,
при этом считается, что напряжение на конденсаторе в первый момент времени согласно закону коммутации .
Напряжение на аноде тиристора определяется выражением
, (12.15)
а скорость нарастания анодного напряжения должна быть меньше критической
. (12.16)
Сопротивление защитного резистора выбирается из неравенства
, (12.17)
а емкость конденсатора из неравенства
. (12.18)