Вимкнення тиристорів

Вимкнення тиристора шляхом розриву анодного кола

Тиристор переходить до вимкненого стану тільки після розсмоктування нерівноважних носіїв заряду в базах. Якщо перед закінченням процесу вимкнення знову до тиристора прикласти анодну напругу, прилад опиниться у ввімкненому стані. Тому, оскільки процес розсмоктування носіїв відбувається немиттєво, для вимкнення тиристора потрібен деякий час.

При вимкненні тиристора шляхом розриву анодного кола розсмоктування відбувається тільки внаслідок рекомбінації, і тому час вимкнення тиристора великий і залежить від тривалості життя носіїв заряду.

Вимкнення за рахунок зміни полярності анодної напруги

Очікуваний виграш часу при вимкненні тиристора цим способом відбудеться лише при великих зворотних напругах (рис. 5.8).

Рисунок 5.8 – Залежність часу вимкнення тиристора від величини зворотної напруги

Це зумовлено тим, що для прискорення процесу розсмоктування носіїв у базах треба забезпечити їх ефективну екстракцію через емітерні переходи. Для цього треба ввімкнути ЕП1 та ЕП2 у зворотному напрямі й значно підвищити їх потенціальні бар’єри. Зробити це одразу, в момент подачі на анод зворотної напруги, неможливо, тому що, поки носії у базах не розсмокталися, негативний заряд у n-базі та позитивний надлишковий заряд у p-базі підтримуватимуть емітерні переходи у відкритому стані. При помірних зворотних напругах практично відбувається підвищення потенціальних бар’єрів ЕП1 та ЕП2. Крім того, перезаряд бар’єрної ємності КП також заважає швидкій зміні стану тиристора. Саме тому, як правило, тиристор вимикають шляхом подачі великої зворотної напруги на анод.

Вимкнення за допомогою подачі напруги на керувальний електрод (за допомогою струму керування)

Для вимкнення тиристора необхідно відвести нерівно­важні носії заряду з бази, з’єднаної з керувальним електродом. Анодний струм, що протікає через ще відкритий тиристор, постійно поповнює кількість нерівноважних носіїв заряду в базах. Тому значення струму керування (викликаного напругою на керувальному електроді зворотної полярності), необхідне для вимкнення тиристора, залежить від значення анодного струму через тиристор (рис. 5.9).

Рисунок 5.9 – Залежність зворотного струму керування, необхідного для вимкнення тиристора, від прямого анодного струму

5.3 Біполярні транзистори з ізольованим затвором

У другій половині 80-х років з'явилася ідея створення комбінованого силового біполярного транзистора з МОН - керуванням на вході, названого в закордонних публікаціях IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), тобто БТІЗ - біполярний транзистор з ізольованим затвором. Прообразом БТІЗ є схема складеного транзистора на комплементарних біполярних транзисторах – схема Шиклаї (рис. 5.10). Тип провідності конструкції (рис. 5.10) у цілому визначається типом провідності VT1.

Рисунок 5.10 – Схема Шиклаї

Структурне ввімкнення транзистора у такому складанні і умовне його позначення, показані на рис. 5.11 а та 5.11 б, відповідно.

а) б)

Рисунок 5.11 – Транзистор БТІЗ: а) структурна схема, б) умовне позначення

Транзистори БТІЗ були виготовлені закордонними фірмами у 1992 році. БТІЗ - транзистор являє собою р-n-р- структуру, керовану від низьковольтного МОН транзистора з індукованим каналом. Отримана структура із транзисторів VT1 і VT2 має внутрішній позитивний зворотний зв'язок, оскільки струм колектора VT2 впливає на струм бази VT1 і навпаки. Коефіцієнти передачі струму емітера транзисторів VT1 і VT2 відповідно рівні і .

, , .

Таким чином, струм стоку польового транзистора

_.

При + 1 еквівалентна крутизна БТІЗ значно збільшується. Коефіцієнти і регулюються резисторами R₁ і R₂ на стадії виготовлення транзистора. На сьогоднішній день поки ще немає відомостей про транзистори БТІЗ n-p-n - типу провідності.

Важливим позитивом БТІЗ (IGBT) є значне зниження послідовного опору силового ланцюга в відритому стані, що приводить до зниження теплових втрат на замкнутому ключі. Перевантажувати IGBT транзистор по напрузі не допускається, але по струму він витримує 7-10 - кратне короткочасне навантаження. Оскільки струм стоку низьковольтного МОН транзистора становить лише невелику частину струму навантаження (у вихідного біполярного транзистора ), то розміри його порівняно невеликі, і він має набагато менші відповідні ємності затвора, ніж МОН ПТ.

Пробивна вхідна напруга БТІЗ теоретично становить близько 80 В, але для забезпечення надійності роботи в довідкових даних практично всіх фірм виробників БТІЗ зазначене значення, що дорівнює 20 В. При роботі із транзисторами необхідно стежити, щоб напруга «затвор-емітер» не перевищувала ±20 В.

Ввімкнення транзистора БТІЗ (рис. 5.11 а) виконується таким чином. Поки напруга «затвор-емітер» дорівнює нулю, транзистор закритий. Час початку відмикання транзистора збігається з моментом досягнення напругою на затворі порогового рівня. Напруга на затворі БТІЗ, при якому вхідний МОН - транзистор і вихідний біполярний починають відмикатися, становить від 3,5 до 6,0 В, і гарантована напруга, при якій транзистор повністю відкритий, тобто може пропускати максимально допустимий струм через колектор-емітерний перехід, становить від 8 В до граничного значення 20 В.

У силу дії внутрішнього позитивного зворотного зв’язку, транзистор різко, подібно компаратору, відкри­вається. Процес закривання транзистора протікає не так швидко, як відмикання. Після подачі запираючого імпульсу на затвор транзистор закривається не відразу, а з деякою задержкою, яка визначається часом «розсмоктування» неосновних носіїв у базі р-n-р - транзистора.

Максимальний струм, який можуть комутувати сучасні БТІЗ, 7-100 А, а допустимий імпульсний струм, як правило, в 2,5-3 рази перевищує максимальний. Для більших потужностей випускають модулі, які складаються з декількох транзисторів. Граничні струми таких модулів до 1000 А. Пробивна напруга БТІЗ – 400-2500 В. Основні параметри деяких БТІЗ подані в табл. 5.2, модулів - у табл. 5.3, у яких взяті такі позначення:

– напруга «колектор-емітер»;

– напруги «колектор-емітер» відкритого транзистора;

- постійний струм колектора;

Р - максимальна розсіювана потужність.

Таблиця 5.2

Тип елемента	, В	, В	, А при Т=25º С	, А при Т=100ºС	Р, Вт
IRG4BC30FD		1,6
IRGBC30MD2		3,9
IRG4PC30FD		1,6

Напруга «колектор-емітер» відкритого транзистора 1,5-4 В, залежно від типу, струму і граничної напруги БТІЗ, в однакових режимах. Для різних типів приладів напруга на переході відкритого транзистора тим вища, чим вищі пробивна напруга і швидкість перемикання.

Таблиця 5.3

Тип елемента	, В	, В	, А при Т=25ºС	, А при Т=100ºС	Р, Вт
IRGDDN300M06		3,0
IRGDDN400M06		3,0
IRGDDN600M06		3,7

Унаслідок низького коефіцієнта підсилення вихідного біполярного транзистора БТІЗ захищений від вторинного пробою, і що особливо важливо для імпульсного режиму, він має прямокутну область безпечної роботи.

Зі зростанням температури напруга «колектор-емітер» транзистора збільшується, це дає можливість умикати при­лади паралельно до загального навантаження й збільшувати сумарний вихідний струм. Залежність максимально допус­тимого струму колектора від температури корпусу БТІЗ транзистора показані на рисунку 5.12.

Так само, як МОН ПТ, БТІЗ мають ємності «затвор-колектор», «затвор-емітер», «колектор-емітер». Величини цих ємностей, як правило, в 2-5 разів нижчі, ніж у МОН ПТ із аналогічними граничними параметрами. Це пов'язане з тим, що в БТІЗ на вході розміщений малопотужний МОН-транзистор, який потребує для керування в динамічних режимах меншу потужність.

Рисунок 5.12 – Залежність І_{к max} від температури корпусу для транзистора IRG4BС30F

Істотною перевагою БТІЗ є те, що біполярний транзистор у структурі не насичується, тому не має часу на розсмоктування. Однак при зменшенні напруги на затворі струм через силові електроди ще проходить протягом від 80 - 200 нс до одиниць мікросекунд залежно від типу приладу. Зменшити ці тимчасові параметри неможливо, тому що база р-n-р - транзистора недоступна.

БТІЗ порівняно з МОН ПТ мають такі переваги:

- економічність керування, пов'язана з меншою ємністю затвора, і, відповідно, динамічними втратами на керування;

- висока густина струму у колі між емітером і колектором така сама, як і у біполярному транзисторі;

- менші втрати в режимах імпульсних струмів;

- практично прямокутна область безпечної роботи;

- можливість паралельного сполучення транзисторів з загальним навантаженням;

- динамічні характеристики останніх транзисторів наближаються до МОН ПТ.

БТІЗ транзистори класифікуються за наступними категоріями:

- W – (warp speed) – 75…150 кГц;

- U – (ultra fast speed) – 10…75 кГц;

- F – (fast speed) – 3…10 кГц;

- S – (standart speed) – 1…3 кГц.

Наприклад, залежність струму колектора БТІЗ від частоти для транзистора IRGPC5OUD2 показана на рис. 5.13.

Рисунок 5.13 – Залежність струму колектора від частоти

Як бачимо з рисунка, на частотах роботи транзисторів більше 10 кГц струм колектора зменшується більш ніж удвічі.

Основним недоліком БТІЗ є великий час вимикання, що обмежує частоти перемикання до 40 - 100 кГц навіть у самих швидкодіючих транзисторів, крім того, зі зростанням частоти необхідно зменшувати струм колектора. МОН ПТ і БТІЗ транзистори - прилади, які керуються напругою.

Фірми-виробники силових напівпровідників випускають драйвери керування, які узгоджують малопотужну схему керування з вихідними транзисторами верхнього й нижнього плечей силового інвертора. Вихідні каскади цих драйверів виконуються, як правило, у вигляді двотактних підсилювачів потужності на польових транзисторах, що забезпечують імпульсний вихідний струм до 2 А.