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 п_{1 –} 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 р₁ и базовую область п₁, проходят через этот переход и быстро втягиваются во вторую базовую область р_2. Аналогично элек­троны, инжектированные из области п₂ в базовую область р₂, 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 р₁, в область п₁и электронов из области п₂ в область р₂,, 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 п₁ и р₂. 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 Iу (рис.16, а). Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя п₂ в слой р₂, и далее часть из них будет перебрасываться электрическим полем перехода П2 в слой п₁. Одновременно увеличивается и встречная инжекция дырок из слоя п₁, в слой p₂, 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 Iу управляющего электрода, тем при меньшем напряжении включения U _вкл открывается тиристор (см. рис. 15, б). Если ток Iу₂ больше тока I_У1, соответственно напряжение включения

U_вкл2 меньше U_вкл1. 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

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 п₂ (рис. 16, б) в слой р₂ и далее проходят в слой п₁, образуя электронный ток 1_п. Дырки инжектируются из слоя р₁, в слой п₁, и далее проходят в слой р₂, образуя дырочный ток I_р. Кроме того, через коллек­торный переход П2 протекают электронная и дырочная составляющие то­ка утечки I_ут (обратного тока коллекторного перехода). В базовых областях р₂и п₁, происходит частичная рекомбинация электронов и ды­рок, поступающих туда из слоев п₂ и р₁, с дырками и электронами, образующими составляющие тока утечки. В результате этого электрон­ный и дырочный токи, входящие в слои п₁ и р₂ (транзитные составляю­щие), будут меньше токов I_n и I_P в слоях п₂ и р₁. По аналогии с тран­зистором транзитные составляющие можно обозначить через а_nI_n и а_р I _р, где а_п, а_р — 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 (а_п + а_р); 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 I_y, который является током базы для транзистора n₁-p₂-n_2: при этом резко увеличивается коэффициент передачи a_n, а затем и а_p , 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 I_y , 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 р₂ и п₁ 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 п₂ в базовую область р₂. Ток, проходящий через вентиль в это время, увеличивается сравнительно медленно и опре­деляется главным образом числом электронов, протекающих через пе­реход П2. 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 DU_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 р₁,, п₁,, р₂, и п₂ 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 DU_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 U_обр, 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 t₃. 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.

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.