Лекция 4 Т и р и с т о р ы Принцип действия тиристора Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более p-n переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Традиционным типом тиристора является кремниевый управляемый вентиль (silicon controlled rectifier- SCR), который используется в силовых управляемых преобразователях переменного или постоянного тока частотой 50(60) Гц.

Рис.4.1. Традиционный тиристор: а – графическое обозначение; б – четырехслойная структура; в – трехслойные структуры; г – эквивалентная схема замещения

Типы тиристоров

Рис.4.2. Диодный тиристор

Рис.4.3.Триодный тиристор Рис.4.4.Управление тиристором: а – катодное; б- анодное

Рис.4.5. Типы тиристоров: а – запираемый тиристор; б – динистор; в – диод- тиристор; г – симистор; д - оптотиристор

Среди них следует выделить: запираемые тиристоры; быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс); объединенные конструктивно пары встречно- включенных тиристоров в одном приборе с общим электродом управления (симисторы, или триаки), используются для фазового управления в цепях переменного тока; асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен со встречно- включенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока, наличие обратного диода улучшает условия выключения тиристора в «мягком» режиме;

оптотиристоры (фототиристоры), управляемые световым потоком. Световой сигнал управления подключается к тиристору через оптокабели, проводящие световой поток. Эффект включения от воздействия светового потока обусловлен генерацией дополнительных носителей заряда в облучаемой полупроводниковой структуре; диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения. Все они имеют свои области рационального применения. Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать электрические цепи напряжением до 9 кВ токами до 8 кА

Статические вольт-амперные характеристики тиристора

Рис.4.6. Вольтамперная-амперная характеристика идеального тиристора

Рис.4.7. Характеристики тиристора: а – схема включения; б – выходные ВАХ; в – входные ВАХ

Таблица 4.1

В качестве нормируемых предельных параметров напряжения в закрытом состоянии указывается повторяющееся (напряжение, которое тиристор выдерживает без пробоя каждый период на рабочей частоте) и неповторяющееся (напряжение, которое тиристор выдерживает однократно с последующим длительным перерывом, необходимым для восстановления его структуры.

Динамические характеристики тиристора

Рис.4.8. Диаграммы тока и напряжения при включении тиристора

Рис.4.9. Диаграммы тока и напряжения при выключении тиристора

Тиристоры включаются естественным (естественной коммутацией) или принудительным (принудительной или искусственной коммутацией). Естественная коммутация происходит под воздействием переменного напряжения сети в момент спадания тока до нуля, используется в регуляторах переменного напряжения и выпрямителях. Принудительная коммутация (рис.4.10) происходит при подключении при предварительно заряженного конденсатора или LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором либо колебательным переходным процессом в цепи нагрузки, при котором ток нагрузки проходит через нуль.

Рис Способы коммутации тиристоров: а – посредством подключения заряженного конденсатора; б – посредством колебательного разряда LC-rконтура; в – за счет колебательного изменения тока в нагрузке

Подключение к выключаемому тиристору источника энергии обеспечивает спадание прямого тока до нуля и обеспечение паузы длительностью от единиц до сотен микросекунд для восстановления запирающих свойств тиристора в зависимости от его типа. Защита тиристоров Для защиты тиристоров от перенапряжений используют демпфирующие RC-цепи, подключенные параллельно тиристору. Защита от перегрузок и КЗ реализуется различными способами, ограничивающими максимальное значение тока и время его протекания, в частности быстродействующими предохранителями, которые выбираются по значению защитного показателя.

Запираемые тиристоры Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает эффективность их применения. Для устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые по управляющему электроду. Выделяют три типа запираемых тиристоров: Запираемый тиристор (GTO – Gate Turn – Off Thyristor) – тиристор, который может быть переключен из открытого состояния в закрытое и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Для выключения запираемых тиристоров (ЗТ) достаточно подать на его управляющий электрод импульс тока отрицательной полярности.

Рис Структура запираемого тиристора с «прозрачным» эмиттером

Существуют различные способы улучшения параметров ЗТ, например, фирма ABB разработала новую технологию на основе введения буферного n-слоя и сокращения толщины анодного эмиттера, называемого «прозрачным», с увеличением концентрацией носителей n в области анода (рис.4.11.). Существуют три группы модификаций GTO, блокирующие обратное напряжение: симметричные ЗТ, способные блокировать равные прямое и обратное напряжение; асимметричные ЗТ, не выдерживающие обратное напряжение; обратнопроводящие ЗТ, проводящие ток в обратном направлении, так как в них входят встречновключенные быстродействующие диоды.

Тиристор, переключаемый по управляющему электроду (GCT – Gate Gommutated Thyristor). Для повышения отключающей способности и минимизации емкостей цепей формирования траектории переключения вплоть до их полного исключения был и создан прибор с использованием драйвера малой индуктивности. Полный ключ, объединяющий GCTи элементы драйвера очень низкой индуктивности называется коммутируемым тиристором с интегрированным управлением (IGCT – Integrated Gate Commutated Thyristor). В приборах типов GCT и IGCT отрицательный ток выключения очень быстро достигает значений анодного тока. Они относятся к категории запираемых тиристоров с «жестким» выключением.

Тиристор с полевым управлением ( МСТ – MOS- Control Thyristor). Эти тиристоры являются интегральными приборами, которые состоят из десятков тысяч ячеек, имеющих электрические связи (рис.4.12). Содержит два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, второй – аналогично процесс выключения тиристора. Схема из модификации МСТ имеет ряд преимуществ перед другими типами силовых приборов: более низкое падение напряжения в проводящем состоянии, быстродействие и управляемость. Современные образцы МСТ показывают способность коммутировать мощности свыше 10 МВт при частоте 10 кГц.

Рис МОП-управляемый тиристор (Р- МСТ) а – эквивалентная схема; б-обозначение