Защита тиристоров

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS . Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

Вольт-амперные характеристики тиристора

Вольт-амперная характеристика тиристора при различных токах управления прибора изображена на рис. 4.3. Обратная ветвь характеристики соответствует обратной полярности анодного напряжения , указанного на рисунке. При разомкнутой цепи управления или отсутствии тока управления обратная ветвь характеристики тиристора аналогична обратной ветви полупроводникового диода того же класса. В рабочем диапазоне напряжений от нуля до повторяющегося импульсного обратного напряжения , составляющего несколько сотен вольт, через прибор протекает очень маленький, порядка долей миллиампера, обратный ток . Благодаря этому тиристор при обратном включении обладает весьма большим сопротивлением. Если к управляющему электроду УЭ тиристора приложить положительное (относительно катода) напряжение, то в цепи управления будет протекать ток , вследствие чего возрастает прямой ток, протекающий от анода к катоду тиристора. Прямая ветвь характеристики тиристора изображена в первом квадранте системы координат, которой соответствует прямое анодное напряжение (рис. 4.3). Рабочим диапазоном, как и в случае обратной ветви, является диапазон напряжений от нуля до импульсного напряжения в закрытом состоянии .Прямая ветвь характеристики имеет три характерные области. Первая область расположена между началом координат и точкой . Эта часть характеристики аналогична обратной ветви ВАХ p–n-перехода. Вторая область от точки до точки соответствует неустойчивому электрическому состоянию, при котором тиристор даже при незначительном превышении напряжения, называемого напряжением переключения , переходит в состояние малого сопротивления (точка ). Отрезок характеристики носит название участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В отличие от участка характеристики с положительным сопротивлением, на котором увеличение напряжения сопровождается увеличением тока, на участке отрицательного дифференциального сопротивления увеличение тока происходит при снижении напряжения.

Рис. 4.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Третья область характеристики от точки до точки является областью высокой проводимости или малого сопротивления. Эта часть характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового диода и соответствует проводящему состоянию тиристора.

Если через цепь управления пропустить ток , то напряжение переключения тиристора из закрытого состояния в открытое уменьшится. Если ток управления увеличивать и дальше, то, начиная с некоторого значения, называемого током управления-спрямления , участок характеристики с отрицательным сопротивлением исчезает, ВАХ спрямляется и становится похожей на прямую ветвь ВАХ полупроводникового диода. При токе управления , превышающем ток управления-спрямления , тиристор обладает малым сопротивлением.

Особенностью тиристора является то, что он, переключенный в открытое состояние, будет находиться в этом состоянии сколь угодно долго даже при снятии управляющего сигнала. Это свойство позволяет включать тиристор с помощью коротких импульсов тока и тем самым значительно снизить затраты энергии на управление тиристором. Для переключения тиристора из открытого состояния в закрытое необходимо путем уменьшения напряжения в цепи нагрузки снизить прямой анодный ток до некоторого малого значения, называемого током удержания .

Рассмотренный режим переключения тиристора в открытое состояние за счет увеличения анодного напряжения используется только в схемах с динисторами. В большинстве практических схем включение тиристора происходит по цепи управляющего электрода, т. е. путем подачи на него отпирающего импульса напряжения. Сущность этого метода заключается в следующем. В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания выбирается меньше напряжения переключения тиристора и принимается равным максимальному допустимому прямому напряжению . В этом состоянии рабочая точка тиристора 1 располагается на прямой ветви ВАХ, соответствующей . Через тиристор и нагрузку протекает небольшой ток, соответствующий точке 1 этой ветви характеристики. Для открытия тиристора в нужный момент времени на его управляющий электрод подается импульс управления, создающий в цепи управляющего электрода ток управления, превышающий ток управления-спрямления . Тиристор открывается, и рабочая точка 2 переходит на прямую ветвь характеристики . Ток, протекающий через тиристор в открытом состоянии, рассчитывается из соотношения , где – падение напряжения на открытом тиристоре, которое определяется как проекция рабочей точки 2 на ось прямого напряжения . Определение токов и напряжений тиристора удобно проводить с помощью линии нагрузки (рис. 4.3). Подробности ее построения приведены в подразд. 3.7. Здесь же просто ограничимся констатацией того, что для построения линии нагрузки на осях и откладываются две точки с координатами: на ось абсцисс и на ось прямого тока.Координаты точек 1 и 2 пересечения этой линии с вольт-амперной характеристикой определяют ток и напряжение на тиристоре соответственно в закрытом и открытом состояниях.

Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер и напряжения от десятков вольт до нескольких киловольт.

К основным параметрам тиристора можно отнести

допустимое значение среднего прямого тока

максимальный постоянный прямой ток

максимально допустимое напряжение – определяется по наименьшему из значений прямого и обратного напряжений, соответствующих началу крутого нарастания обратного тока

обратный ток тиристора

напряжение и ток удержания, соответствующие переходу тиристора из закрытого состояния в открытое

Динамические параметры тиристора характеризуют время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (время включения t_вкл) и время восстановления запирающих свойств (время выключения t_в)

Силовые тиристоры характеризуются параметрами, аналогичными тем, которые рассматривались выше для силовых диодов. Но, кроме того, в технических условиях приводятся параметры цепи управления тиристоров, а также дополнительные параметры, характеризующие силовую цепь тиристора:

Напряжение переключения: постоянное - , импульсное - (десятки – сотни вольт).

Напряжение в открытом состоянии – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии ( ).

Обратное напряжение – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи вольт).

Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии – максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включение тиристора (единицы – сотни вольт).

Неотпирающее напряжение на управляющем электроде – наибольшее напряжение, не вызывающее отпирание тиристора (доли вольт).

Запирающее напряжение на управляющем электроде – напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки вольт).

Ток в открытом состоянии – максимальное значение тока открытого тиристора (сотни миллиампер – сотни ампер).

Обратный ток (доли миллиампер).

Отпирающий ток – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки миллиампер).

Ток утечки – это ток, протекающий через тиристор с разомкнутой цепью управления при прямом напряжении между анодом и катодом.

Ток удержания – минимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управления, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.

Время включения – это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения напряжения тиристора до 10 % от начального значения при работе на активную нагрузку (единицы – десятки микросекунд).

Время выключения , называемое также временем восстановления управляющей способности тиристора. Это время от момента, когда прямой ток тиристора становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать прямое напряжение между анодом и катодом. Это время в основном определяется временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника (десятки - сотни микросекунд).