Тиристор основне призначення принцип роботи. Тиристори. Пристрій, принцип роботи, вольт-амперна характеристика. Загальні параметри тиристорів

Поява чотиришарових p-n-p-n напівпровідникових елементів здійснила справжній прорив у силовій електроніці. Такі пристрої отримали назву тиристорів. Кремнієві керовані вентилі є найпоширенішим сімейством тиристорів.

Даний вид напівпровідникових приладів має таку структуру:

Як бачимо із структурної схеми тиристор має три висновки – катод, керуючий електрод та анод. Підключенню до силових ланцюгів підлягають анод і катод, а електрод, що управляє, підключається до системи управління (слабочні мережі) для керованого відкриття тиристора.

На важливих схемах тиристор має таке позначення:

Вольт-амперна характеристика показана нижче:

Давайте докладніше розглянемо цю характеристику.

Зворотна гілка характеристики

У третьому квадранті характеристики діодів та тиристорів рівні. Якщо до анода прикласти негативний потенціал щодо катода, то до J 1 і J 3 прикладається зворотна напруга, а до J 2 - пряме, що викликає протікання зворотного струму (він дуже малий, як правило кілька міліампер). Коли ця напруга збільшиться до так званої напруги пробою, відбудеться лавинне наростання струму між J 1 і J 3 . При цьому, якщо цей струм не буде обмежений, то станеться пробою переходу з наступним виходом з ладу тиристора. При зворотних напругах, які не перевищують напруги пробою, тиристор поводитиметься як резистор з великим опором.

Зона низької провідності

У цій зоні все навпаки. Потенціал катода буде негативним по відношенню до потенціалу анода. Тому J 1 і J 3 буде прикладено пряме, а до J 2 – зворотне напруга. Результатом чого стане дуже малий анодний струм.

Зона високої провідності

Якщо напруга ділянці анод – катод досягне значення, так званого напругою перемикання, то відбудеться лавинний пробій переходу J 2 і тиристор буде переведений у стан високої провідності. У цьому U a знизиться від кількох сотень до 1 — 2 вольт. Воно буде залежати від типу тиристора. У зоні високої провідності струм, що протікає через анод, залежатиме від навантаження зовнішнього елемента, що дає можливість розглядати його в цій зоні як замкнутий ключ.

Якщо пропустити струм через електрод, що управляє, то напруга включення тиристора зменшиться. Воно безпосередньо залежить від струму керуючого електрода і за досить великому його значенні практично дорівнює нулю. При виборі тиристора до роботи на схемі, його підбирають в такий спосіб, щоб напруги зворотне і пряме не перевищували паспортних значень напруг пробою і перемикання. Якщо ці умови виконати важко, або є великий розкид у параметрах елементів (наприклад необхідний тиристор на 6300, а його найближчі значення 1200), то іноді застосовують або включення елементів.

У потрібний момент часу за допомогою подачі імпульсу на електрод, що управляє, можна перевести тиристор із закритого стану в зону високої провідності. Струм УЕ, як правило, повинен бути вищим за мінімальний струм відкриття і він становить близько 20-200 мА.

Коли анодний струм досягне певного значення, при якому замикання тиристора неможливо (струм перемикання), керуючий імпульс може бути знятий. Тепер тиристор зможе перейти назад у закритий стан тільки при зменшенні струму нижче струму утримання, або докладанням до нього напруги зворотної полярності.

Відео роботи та графіки перехідних процесів

Режим зворотного замикання

Мал. 3. Режим зворотного замикання тиристора

Два основних фактори обмежують режим зворотного пробою та прямого пробою:

1. Прокол збідненої області.

У режимі зворотного замикання до анода приладу прикладена напруга, негативна по відношенню до катода; переходи J1 та J3 зміщені у зворотному напрямку, а перехід J2 зміщений у прямому (див. рис. 3). У цьому випадку більшість прикладеної напруги падає на одному з переходів J1 або J3 (залежно від ступеня легування різних областей). Нехай це буде перехід J1. Залежно від товщини W n1 шару n1 пробою викликається лавинним множенням (товщина збідненої області при пробої менше W n1) або проколом (збіднений шар поширюється на всю область n1, і відбувається змикання переходів J1 і J2).

Режим прямого замикання

При прямому замиканні напруга на аноді позитивно стосовно катода і назад зміщений тільки перехід J2. Переходи J1 та J3 зміщені у прямому напрямку. Більшість прикладеної напруги падає на переході J2. Через переходи J1 та J3 в області, що примикають до переходу J2, інжектуються неосновні носії, які зменшують опір переходу J2, збільшують струм через нього та зменшують падіння напруги на ньому. При підвищенні прямої напруги струм через тиристор спочатку зростає повільно, що відповідає ділянці 0-1 на ВАХ. У цьому режимі тиристор можна вважати замкненим, оскільки опір переходу J2 все ще дуже великий. У міру збільшення напруги на тиристорі знижується частка напруги, що падає на J2, і швидше зростають напруги на J1 і J3, що викликає подальше збільшення струму через тиристор і посилення інжекції неосновних носіїв J2. При деякому значенні напруги (порядку десятків або сотень вольт) називається напругою перемикання V BF(точка 1 на ВАХ), процес набуває лавиноподібного характеру, тиристор переходить у стан з високою провідністю (включається), і в ньому встановлюється струм, який визначається напругою джерела та опором зовнішнього ланцюга.

Двотранзисторна модель

Для пояснення характеристик приладу як прямого замикання використовується двухтранзисторная модель. Тиристор можна як з'єднання p-n-p транзистора з n-p-n транзистором, причому колектор кожного їх з'єднаний з іншою базою, як показано на рис. 4 для тріодного тиристора. Центральний перехід діє як колектор дірок, що інжектуються переходом J1, і електронів, що інжектуються переходом J3. Взаємозв'язок між струмами емітера I E, колектора I Cта бази I Bі статичним коефіцієнтом посилення струму α 1 p-n-p транзистора також наведена на рис. 4, де I З - зворотний струм насичення переходу колектор-база.

Мал. 4. Двохтранзисторна модель тріодного тиристора, з'єднання транзисторів та співвідношення струмів у p-n-p транзисторі.

Аналогічні співвідношення можна отримати для n-p-n транзистора при зміні напряму струмів на протилежне. З рис. 4 слід, що колекторний струм n-p-n транзистора є одночасно базовим струмом p-n-p транзистора. Аналогічно колекторний струм p-n-p транзистора та керуючий струм I gвтікають у основу n-p-n транзистора. В результаті, коли загальний коефіцієнт посилення в замкнутій петлі перевищить 1, можливим є регенеративний процес.

Струм бази p-n-p транзистора дорівнює I B1= (1 - α 1) I A - I Co1. Цей струм також протікає через колектор n-p-n транзистора. Струм колектора n-p-n транзистора з коефіцієнтом посилення α 2 дорівнює I C2= α 2 I K + I Co2.

Прирівнявши I B1і I C2, Отримаємо (1 - α 1) I A - I Co1= α 2 I K + I Co2. Так як I K = I A + I g, то

Мал. 5. Енергетична зонна діаграма в режимі прямого зміщення: стан рівноваги, режим прямого замикання та режим прямої провідності.

Це рівняння описує статичну характеристику приладу діапазоні напруг до пробою. Після пробою прилад працює як p-i-n-діод. Зазначимо, що всі складові в чисельнику правої частини рівняння малі, отже, поки член α 1 + α 2< 1, ток I Aмалий. (Коефіцієнти α1 та α2 самі залежать від I Aі зазвичай ростуть зі збільшенням струму) Якщо α1 + α2 = 1, то знаменник дробу звертається в нуль і відбувається прямою пробою (або включення тиристора). Слід зазначити, що й полярність напруги між анодом і катодом змінити зворотну, то переходи J1 і J3 будуть зміщені у напрямі, а J2 - у прямому. За таких умов пробою не відбувається, тому що як емітер працює тільки центральний перехід і регенеративний процес стає неможливим.

Ширина збіднених шарів та енергетичні зонні діаграми в рівновазі, в режимах прямого замикання та прямої провідності показані на рис. 5. У рівновазі збіднена область кожного переходу та контактний потенціал визначаються профілем розподілу домішок. Коли до анода прикладено позитивну напругу, перехід J2 прагне зміститися у напрямі, а переходи J1 і J3 - у прямому. Падіння напруги між анодом і катодом дорівнює сумі алгебри падінь напруги на переходах: V AK = V 1 + V 2 + V 3. У міру підвищення напруги зростає струм через прилад і, отже, збільшуються α1 та α2. Завдяки регенеративному характеру цих процесів прилад зрештою перейде у відкритий стан. Після включення тиристора струм, що протікає через нього, повинен бути обмежений зовнішнім опором навантаження, в іншому випадку при досить високій напрузі тиристор вийде з ладу. У включеному стані перехід J2 зміщений у прямому напрямку (рис. 5, в) і падіння напруги V AK = (V 1 - | V 2| + V 3) приблизно дорівнює сумі напруги одному прямосмещенном переході і напруги на насиченому, транзисторі.

Режим прямої провідності

Коли тиристор перебуває у увімкненому стані, всі три переходи зміщені у прямому напрямку. Дірки інжектуються з області p1, а електрони - з області n2, і структура n1-p2-n2 поводиться аналогічно насиченому транзистору з диодним віддаленим контактом до області n1. Отже, прилад загалом аналогічний p-i-n (p + -i-n +)-діоду.

Класифікація тиристорів

• тиристор діодний (дод. назва "діністор") - тиристор, що має два висновки
  • тиристор діодний, що не проводить у зворотному напрямку
  • тиристор діодний, що проводить у зворотному напрямку
  • тиристор діодний симетричний (дод. назва "діак")
• тиристор тріодний (дод. назва "триністор") - тиристор, що має три висновки
  • тиристор тріодний, що не проводить у зворотному напрямку (дод. назва "тиристор")
  • тиристор тріодний, що проводить у зворотному напрямку (дод. назва "тиристор-діод")
  • тиристор тріодний симетричний (дод. назва "тріак", неоф. назва "симістор")
  • тиристор тріодний асиметричний
  • тиристор, що замикається (дод. назва "тиристор тріодний вимикається")

Відмінність диністора від тріністора

Принципових відмінностей між динистором і триністором немає, проте якщо відкриття диністора відбувається при досягненні між висновками анода і катода певної напруги, що залежить від типу даного диністора, то в триністорі напруга відкриття може бути спеціально знижена, шляхом подачі імпульсу струму певної тривалості та величини на його електрод при позитивній різниці потенціалів між анодом і катодом, і конструктивно триністор відрізняється лише наявністю електрода, що управляє. Триністори є найпоширенішими приладами із «тиристорного» сімейства.

Відмінність тиристора тріодного від тиристора, що замикається.

Перемикання в закритий стан звичайних тиристорів роблять або зниженням струму через тиристор до значення I h, або зміною полярності напруги між катодом та анодом.

Тиристори, що замикаються, на відміну від звичайних тиристорів, під впливом струму керуючого електрода можуть переходити з закритого стану у відкритий стан, і навпаки. Щоб закрити тиристор, що замикається, необхідно через керуючий електрод пропустити струм протилежної полярності, ніж полярність, яка викликала його відкриття.

Сімістор

Симистор (симетричний тиристор) є напівпровідниковий прилад, за своєю структурою є аналогом зустрічно-паралельного включення двох тиристорів. Здатний пропускати електричний струм в обох напрямках.

Характеристики тиристорів

Сучасні тиристори виготовляють струми від 1 мА до 10 кА; на напруги від декількох до декількох кВ; швидкість наростання в них прямого струму досягає 10 9 А/с, напруги - 10 9 В/с, час включення становить величини від кількох десятих часток до кількох десятків мкс, час вимкнення - від кількох одиниць до кількох сотень мкс; ККД досягає 99%.

Застосування

• Керовані випрямлячі
• Перетворювачі (інвертори)
• Регулятори потужності (димери)

Див. також

• CDI (Capacitor Discharge Ignition)

Примітки

Література

• ГОСТ 15133-77.
• Кублановський. Я. С. Тиристорні пристрої. - 2-ге вид., перераб. та дод. - М: Радіо і зв'язок, 1987. - 112 с.: іл. - (Масова радіобібліотека. Вип. 1104).

Посилання

• Тиристори: принцип дії, конструкції, типи та способи включення
• Управління тиристорами та симісторами через мікроконтролер або цифрову схему
• Перетворювальні пристрої в системах електропостачання
• Рогачов К.Д. Сучасні силові тиристори, що замикаються.
• Вітчизняні Аналоги Імпортних Тиристорів
• Довідники з тиристорів та аналогів, Заміна тиристорів, заміна діодів.

Пасивні твердотільні	Резистор · Змінний резистор · Підстроювальний резистор · Варістор · Конденсатор · Змінний конденсатор · Підстроювальний конденсатор · Котушка індуктивності · Кварцовий резонатор· Запобіжник · Запобіжник, що самовідновлюється· Трансформатор
Активні твердотільні	Діод· Світлодіод · Фотодіод · Напівпровідниковий лазер · Діод Шоттки· Стабілітрон · Стабістор · Варікап · Варіконд · Діодний міст · Лавинно-пролітний діод · Тунельний діод · Діод Ганна Транзистор · Біполярний транзистор · Польовий транзистор · КМОП-транзистор ·

У схемах і технічної документації часто використовуються різні терміни і знаки, але не всі електрики-початківці знають їх значення. Пропонуємо обговорити, що таке силові тиристори для зварювання, їх принцип роботи, характеристики та маркування цих приладів.

Що таке тиристор та їх види

Багато хто бачив тиристори в гірлянді «Вогонь, що біжить», це найпростіший приклад описуваного пристрою і як воно працює. Кремнієвий випрямляч або тиристор дуже нагадує транзистор. Це багатошаровий напівпровідниковий пристрій, основним матеріалом якого є кремній, найчастіше у пластиковому корпусі. Через те, що його принцип роботи дуже схожий на ректифікаційний діод (випрямляючі прилади змінного струму або диністори), на схемах позначення часто таке ж – це вважається аналог випрямляча.

Фото – Cхема гірлянди вогонь, що біжить

Бувають:

• ABB тиристори (GTO), що замикаються,
• стандартні SEMIKRON,
• потужні лавинні типу ТЛ-171,
• оптронні (скажімо, ТО 142-12,5-600 або модуль МТОТО 80),
• симетричні ТС-106-10,
• низькочастотні МТТ,
• симистор BTA 16-600B або ВТ для пральних машин,
• частотні ТВЧ,
• закордонні TPS 08,
• TYN 208.

Але в цей час для високовольтних апаратів (печей, верстатів, іншої автоматики виробництва) використовують транзистори типу IGBT або IGCT.

Фото – Тиристор

Але, на відміну від діода, який є двошаровим (PN) тришарового транзистора (PNP, NPN), тиристор складається з чотирьох шарів (PNPN) і цей напівпровідниковий пристрій містить три p-n переходи. У такому разі діодні випрямлячі стають менш ефективними. Це добре демонструє схема управління тиристорами, а також будь-який довідник електриків (наприклад, у бібліотеці можна безкоштовно почитати книгу автора Замятін).

Тиристор - це однонаправлений перетворювач змінного струму, тобто він проводить струм тільки в одному напрямку, але на відміну від діода, пристрій може бути зроблено для роботи в якості комутатора розімкнутого ланцюга або у вигляді діода ректифікаційного постійного електроструму. Іншими словами, напівпровідникові тиристори можуть працювати тільки в режимі комутації і не можуть бути використані як ампліфікаційні прилади. Ключ на тиристорі не здатний сам перейти у закрите положення.

Кремнієвий керований випрямляч є одним із кількох силових напівпровідникових приладів разом із симісторами, діодами змінного струму та одноперехідними транзисторами, які можуть дуже швидко перемикатися з одного режиму в інший. Такий тиристор називається швидкодіючим. Звісно, ​​велику роль тут грає клас приладу.

Застосування тиристора

Призначення тиристорів може бути різним, наприклад, дуже популярний саморобний зварювальний інвертор на тиристорах, зарядний пристрій для автомобіля (тиристор в блоці живлення) і навіть генератор. Через те, що сам собою прилад може пропускати як низькочастотні, так і високочастотні навантаження, його також можна використовувати для трансформатора для зварювальних апаратів (на їх мосту використовуються саме такі деталі). Для контролю роботи деталі у такому разі необхідний регулятор напруги на тиристорі.

Фото – застосування Тиристора замість ЛАТРу

Не слід забувати і про тиристор запалювання для мотоциклів.

Опис конструкції та принцип дії

Тиристор складається з трьох частин: "Анод", "Катод" і "Вхід", що складається з трьох p-n переходів, які можуть перемикатися з положень "ВКЛ" і "ВИМК" на дуже високій швидкості. Але при цьому він також може бути переключений з позиції «ВКЛ» з різною тривалістю за часом, тобто протягом декількох напівперіодів, щоб доставити певну кількість енергії до навантаження. Робота тиристора можна краще пояснити, якщо припустити, що він складатиметься з двох транзисторів, пов'язаних один з одним, як пара комплементарних регенеративних перемикачів.

Найпростіші мікросхеми демонструють два транзистори, які суміщені таким чином, що струм колектора після команди «Пуск» надходить на NPN транзистора TR 2 канали безпосередньо в PNP-транзистора TR 1. У цей час струм з TR 1 надходить у канали основи TR 2 . Ці два взаємопов'язані транзистори розташовуються так, що база-емітер отримує струм від колектора-емітера іншого транзистора. Для цього потрібне паралельне розміщення.

Фото – Тиристор КУ221ІМ

Незважаючи на всі заходи безпеки, тиристор може мимоволі переходити з одного положення до іншого. Це відбувається через різкий стрибок струму, перепад температур та інших різних факторів. Тому перед тим, як купити тиристор КУ202Н, Т12225, Т160, Т1010, його потрібно не тільки перевірити тестером (продзвонити), а й ознайомитися з параметрами роботи.

Типові тиристорні ВАХ

Для початку обговорення цієї складної теми, перегляньте схему ВАХ-характеристик тиристора:

Фото – характеристика тиристора ВАХ

1. Відрізок між 0 і (Vo,IL) повністю відповідає прямому замиканню пристрою;
2. У ділянці Vво здійснюється положення «ВКЛ» тиристора;
3. Відрізок між зонами (Vво, IL) та (Vн,Iн) – це перехідне положення у включеному стані тиристора. Саме на цій ділянці відбувається так званий диністорний ефект;
4. У свою чергу точки (Vн, Iн) показують на графіку пряме відкриття приладу;
5. Точки 0 і Vbr – це ділянка із замиканням тиристора;
6. Після цього слідує відрізок Vbr - він позначає режим зворотного пробою.

Звичайно, сучасні високочастотні радіодеталі у схемі можуть впливати на вольт-амперні характеристики у незначній формі (охолоджувачі, резистори, реле). Також симетричні фототиристори, стабілітрони SMD, оптотиристори, тріодні, оптронні, оптоелектронні та інші модулі можуть мати інші ВАХ.

Фото – ВАХ тиристора

Крім того, звертаємо Вашу увагу, що у такому разі захист пристроїв здійснюється на вході навантаження.

Перевірка тиристора

Перед тим як купити прилад, потрібно знати, як перевірити тиристор мультиметром. Підключити вимірювальний прилад можна лише так званому тестеру. Схема, за якою можна зібрати такий пристрій, наведена нижче:

Фото – тестер тиристорів

Згідно з описом, до анода необхідно підвести напругу позитивного характеру, а до катода негативного. Дуже важливо використовувати величину, яка відповідає роздільній здатності тиристора. На кресленні показані резистори з номінальною напругою від 9 до 12 вольт, це означає, що напруга тестера трохи більша, ніж тиристора. Після того, як Ви зібрали пристрій, можна починати перевіряти випрямляч. Потрібно натиснути кнопку, яка подає імпульсні сигнали для включення.

Перевірка тиристора здійснюється дуже просто, на електрод, що управляє, кнопкою короткочасно подається сигнал на відкриття (позитивний щодо катода). Після цього якщо на тиристорі загорілися вогні, що втікають, то пристрій вважається неробочим, але потужні прилади не завжди відразу реагують після надходження навантаження.

Фото – схема тестера для тиристорів

Крім перевірки приладу, також рекомендується використовувати спеціальні контролери або блок керування тиристорами та симісторами ОВЕН БУСТ або інші марки, він працює приблизно так само, як і регулятор потужності на тиристорі. Головною відмінністю є ширший спектр напруг.

Відео: принцип роботи тиристора

Технічні характеристики

Розглянемо технічні параметри тиристора серії КВ 202е. У цій серії представлені вітчизняні малопотужні пристрої, основне застосування яких обмежується побутовими приладами: його використовують для електропечей, обігрівачів і т.д.

На кресленні нижче представлено цоколівку та основні деталі тиристора.

Фото – ку 202

1. Встановлена ​​зворотна напруга у відкритому стані (макс) 100 В
2. Напруга в закритому положенні 100 В
3. Імпульс у відкритому положенні – 30 А
4. Повторюваний імпульс у відкритому положенні 10 А
5. Середня напруга<=1,5 В
6. Невідпирна напруга >=0,2
7. Встановлений струм у відкритому положенні<=4 мА
8. Струм зворотний<=4 мА
9. Відмикаючий струм постійного типу<=200 мА
10. Встановлена ​​постійна напруга<=7 В
11. Час увімкнення<=10 мкс
12. Час вимкнення<=100 мкс

Увімкнення пристрою здійснюється протягом мікросекунд. Якщо Вам знадобиться заміна описаного приладу, проконсультуйтеся з продавцем-консультантом електромагазину - він зможе підібрати аналог за схемою.

Фото – тиристор ку202н

Ціна тиристора залежить від його марки та характеристик. Ми рекомендуємо купувати вітчизняні прилади – вони більш довговічні та відрізняються доступною вартістю. На стихійних ринках можна придбати якісний потужний перетворювач до сотні рублів.

Створення напівпровідникових приладів для силової електроніки почалося в 1953 р., коли стало можливим отримання кремнію високої чистоти та формування кремнієвих дисків великих розмірів. У 1955 р. був уперше створений напівпровідниковий керований прилад, що має чотиришарову структуру і отримав назву "тиристор".

Він включався подачею імпульсу електрод управління при позитивному напрузі між анодом і катодом. Виключення тиристора забезпечується зниженням прямого струму, що протікає через нього, до нуля, для чого розроблено безліч схем індуктивно-ємнісних контурів комутації. Вони не тільки збільшують вартість перетворювача, але і погіршують його масо-габаритні показники, знижують надійність.

Тому одночасно із створенням тиристора почалися дослідження, спрямовані на забезпечення його виключення з керуючого електрода. Головна проблема полягала у забезпеченні швидкого розсмоктування носіїв зарядів у базових областях.

Перші подібні тиристори з'явилися 1960 р. у США. Вони отримали назву Gate Turn Off (GTO). У нашій країні вони більше відомі як тиристори, що замикаються або вимикаються.

В середині 90-х років був розроблений тиристор, що замикається, з кільцевим висновком керуючого електрода. Він отримав назву Gate Commutated Thyristor (GCT) та став подальшим розвитком GTO-технології.

Тиристори GTO

Пристрій

Тиристор, що замикається - повністю керований напівпровідниковий прилад, в основі якого класична чотиришарова структура. Включають та вимикають його подачею позитивного та негативного імпульсів струму на електрод управління. Рис. 1 наведено умовне позначення (а) і структурна схема (б) тиристора, що вимикається. Подібно до звичайного тиристору він має катод K, анод А, керуючий електрод G. Відмінності в структурах приладів полягає в іншому розташуванні горизонтальних і вертикальних шарів з n- і р-провідниками.

Найбільшу зміну зазнав пристрій катодного шару n. Він розбитий кілька сотень елементарних осередків, рівномірно розподілених площею і з'єднаних паралельно. Таке виконання викликане прагненням забезпечити рівномірне зниження струму по всій площі напівпровідникової структури при вимиканні приладу.

Базовий шар p, незважаючи на те, що виконаний як єдине ціле, має велику кількість контактів керуючого електрода (приблизно рівне числу катодних осередків), також рівномірно розподілених за площею і з'єднаних паралельно. Базовий шар n виконаний аналогічно до відповідного шару звичайного тиристора.

Анодний шар p має шунти (зони n), що з'єднують n-базу з анодним контактом через невеликі розподілені опори. Анодні шунти застосовують у тиристорах, які не мають зворотної блокуючої здатності. Вони призначені зменшення часу вимкнення приладу рахунок поліпшення умов вилучення зарядів з базової області n.

Основне виконання тиристорів GTO таблеткове з чотиришаровою кремнієвою пластиною, затиснутою через термокомпенсуючі молібденові диски між двома мідними основами, що мають підвищену тепло- та електропровідність. З кремнієвою пластиною контактує керуючий електрод, що має висновок у керамічному корпусі. Прилад затискається контактними поверхнями між двома половинами охолоджувачів, ізольованих один від одного та мають конструкцію, що визначається типом системи охолодження.

Принцип дії

У циклі роботи тиристора GTO розрізняють чотири фази: включення, провідний стан, вимкнення та блокуючий стан.

На схематичному розрізі тиристорної структури (рис. 1 б) нижній висновок структури анодний. Анод контактує з шаром p. Потім знизу нагору слідують: базовий шар n, базовий шар p (що має висновок керуючого електрода), шар n, безпосередньо контактує з катодним висновком. Чотири шари утворюють три p-n переходи: j1 між шарами p і n; j2 між шарами n та p; j3 між шарами p і n.

Фаза 1- Увімкнення. Перехід тиристорної структури з блокуючого стану в провідне (включення) можливий тільки при застосуванні прямої напруги між анодом та катодом. Переходи j1 та j3 зміщуються у прямому напрямку і не перешкоджають проходженню носіїв зарядів. Вся напруга прикладається до середнього переходу j2, який зміщується у зворотному напрямку. Біля переходу j2 утворюється зона, збіднена носіями зарядів, що отримала назву-область об'ємного заряду. Щоб включити тиристор GTO, до керуючого електрода і катода ланцюга управління прикладається напруга позитивної полярності U G (висновок "+" до шару p). У результаті ланцюга протікає струм включення I G .

Тиристори, що замикаються, пред'являють жорсткі вимоги до крутизни фронту dIG/dt і амплітуди IGM струму управління. Через перехід j3, крім струму витоку, починає протікати струм увімкнення I G . Електрони, що створюють цей струм, будуть інжектуватися з шару n в шар p. Далі частина їх буде перекидатися електричним полем базового переходу j2 в шар n.

Одночасно збільшиться зустрічна інжекція дірок з шару p шар n і далі в шар p, тобто. відбудеться збільшення струму, створеного неосновними носіями зарядів.

Сумарний струм, що проходить через базовий перехід j2, перевищує струм включення, відбувається відкриття тиристора, після чого носії зарядів вільно переходитимуть через всі його чотири області.

Фаза 2- провідний стан. У режимі протікання прямого струму немає потреби в струмі керування I G , якщо струм в ланцюзі анода перевищує величину струму утримання. Однак на практиці для того, щоб всі структури тиристора, що вимикається, постійно перебували в провідному стані, все ж таки необхідна підтримка струму, передбаченого для даного температурного режиму. Таким чином, весь час включення та провідного стану система управління формує імпульс струму позитивної полярності.

У провідному стані всі області напівпровідникової структури забезпечують рівномірний рух носіїв зарядів (електронів від катода до анода, дірок - у зворотному напрямку). Через переходи j1, j2 протікає анодний струм, через перехід j3 - сумарний струм анода та електрода, що управляє.

Фаза 3- Вимкнення. Для вимикання тиристора GTO при незмінній полярності напруги U T (див. рис. 3) до керуючого електрода і катода ланцюга управління прикладається напруга негативної полярності UGR. Воно викликає струм вимкнення, протікання якого веде до розсмоктування основних носіїв заряду (дірок) у базовому шарі p. Іншими словами, відбувається рекомбінація дірок, що надійшли в шар p з базового шару n, і електронів, що надійшли в цей же шар керуючого електрода.

У міру звільнення з них базового переходу j2 тиристор починає замикатися. Цей процес характеризується різким зменшенням прямого струму I Т тиристора за короткий проміжок до невеликої величини I ТQT (див. рис. 2). Відразу після замикання базового переходу j2 починає закриватися перехід j3, проте за рахунок енергії, запасеної в індуктивності ланцюгів управління він ще деякий час перебуває у відкритому стані.

Мал. 2. Графіки зміни струму анода (iT) та керуючого електрода (iG)

Після того, як вся енергія, запасена в індуктивності ланцюга управління, буде витрачена, перехід j3 з боку катода повністю замикається. З цього моменту струм через тиристор дорівнює струму витоку, який протікає від анода до катода через керуючий ланцюг електрода.

Процес рекомбінації і, отже, вимикання тиристора, що замикається, багато в чому залежить від крутості фронту dIGQ/dt і амплітуди I GQ зворотного струму управління. Щоб забезпечити необхідні крутизну і амплітуду цього струму, на електрод, що управляє, потрібно подати напругу UG, яка не повинна перевищувати величини, допустимої для переходу j3.

Фаза 4- блокуючий стан. У режимі блокуючого стану до керуючого електрода та катода залишається доданим напруга негативної полярності U GR від блоку управління. По ланцюгу управління протікає сумарний струм I GR , Що складається з струму витоку тиристора та зворотного струму управління, що проходить через перехід J3. Перехід J3 зміщується у зворотному напрямку. Таким чином, у тиристорі GTO, що знаходиться в прямому блокувальному стані, два переходи (j2 і j3) зміщені у зворотному напрямку та утворені дві області просторового заряду.

Весь час вимикання та блокуючого стану система управління формує імпульс негативної полярності.

Захисні ланцюги

Використання тиристорів GTO вимагає застосування спеціальних захисних ланцюгів. Вони збільшують масо-габаритні показники, вартість перетворювача, іноді вимагають додаткових пристроїв, що охолоджують, проте є необхідними для нормального функціонування приладів.

Призначення будь-якого захисного ланцюга – обмеження швидкості наростання одного з двох параметрів електричної енергії при комутації напівпровідникового приладу. При цьому конденсатори захисного ланцюга СВ (рис. 3) підключають паралельно приладу Т, що захищається. Вони обмежують швидкість наростання прямої напруги dUT/dt при вимиканні тиристора.

Дроселі LE встановлюють послідовно з приладом Т. Вони обмежують швидкість наростання прямого струму dIT/dt при включенні тиристора. Значення dUT/dt та dIT/dt для кожного приладу нормовані, їх вказують у довідниках та паспортних даних на прилади.

Мал. 3. Схема захисного ланцюга

Крім конденсаторів та дроселів, у захисних ланцюгах використовують додаткові елементи, що забезпечують розряд та заряд реактивних елементів. До них відносяться: діод DВ, який шунтує резистор RВ при вимиканні тиристора Т і заряд конденсатора СВ, резистор RВ, що обмежує струм розряду конденсатора СВ при включенні тиристора Т.

Система управління

Система управління (СУ) містить наступні функціональні блоки: включає контур, що складається зі схеми формування відмикаючого імпульсу і джерела сигналу для підтримки тиристора у відкритому стані; контур формування замикаючого сигналу; контур підтримки тиристора у закритому стані.

Не для всіх типів СУ потрібні всі перелічені блоки, але контури формування імпульсів, що відпирають і замикають, повинна містити кожна СУ. При цьому необхідно забезпечити гальванічну розв'язку схеми управління і силового ланцюга тиристора, що вимикається.

Для управління роботою тиристора, що вимикається, застосовуються дві основні СУ, що відрізняються способами подачі сигналу на керуючий електрод. У разі на рис. 4, сигнали, що формуються логічним блоком St, піддаються гальванічній розв'язці (розподіл потенціалів), після чого проводиться їх подача через ключі SE і SA на керуючий електрод тиристора Т, що вимикається. У другому випадку сигнали спочатку впливають на ключі SE (включення) і SA (вимикання ), що знаходяться під тим самим потенціалом, що і СУ, потім через пристрої гальванічної розв'язки UE і UA подаються на керуючий електрод.

Залежно від розташування ключів SE та SA розрізняють низькопотенційні (НПСУ) та високопотенційні (ВПСУ, рис. 4) схеми управління.

Мал. 4. Варіант ланцюга управління

Система управління НПСУ конструктивно простіше, ніж ВПСУ, проте її можливості обмежені щодо формування керуючих сигналів великої тривалості, що діють в режимі протікання через тиристор прямого струму, а також у забезпеченні крутизни імпульсів управління. Для формування сигналів великої тривалості тут доводиться використовувати дорожчі двотактні схеми.

У ВПСУ висока крутість і збільшена тривалість сигналу, що управляє, досягається простіше. Крім того, тут сигнал керування використовується повністю, у той час як у НПСУ його величина обмежується пристроєм поділу потенціалів (наприклад, імпульсним трансформатором).

Інформаційний сигнал - команда на включення чи вимкнення - зазвичай подається на схему через оптоелектронний перетворювач.

Тиристори GCT

У середині 90-х років фірмами "ABB" та "Mitsubishi" було розроблено новий вид тиристорів Gate Commutated Thyristor (GCT). Власне, GCT є подальшим удосконаленням GTO або його модернізацією. Однак, принципово нова конструкція керуючого електрода, а також процеси, що відбуваються при вимиканні приладу, роблять доцільним його розгляд.

GCT розроблявся як прилад, позбавлений недоліків, характерних для GTO, тому спочатку необхідно зупинитися на проблемах, що виникають під час роботи GTO.

Основний недолік GTO полягає у великих втратах енергії у захисних ланцюгах приладу при його комутації. Підвищення частоти збільшує втрати, тому практично тиристори GTO комутуються з частотою трохи більше 250-300 Гц. Основні втрати виникають у резисторі RВ (див. рис. 3) при вимиканні тиристора Т і, отже, розряд конденсатора СВ.

Конденсатор СВ призначений для обмеження швидкості наростання прямої напруги du/dt при вимиканні приладу. Зробивши тиристор не чутливим до ефекту du/dt, створили можливість відмовитися від снабберного ланцюга (ланцюга формування траєкторії перемикання), що було реалізовано в конструкції GCT.

Особливість управління та конструкції

Основною особливістю тиристорів GCT, у порівнянні з приладами GTO, є швидке вимикання, яке досягається як зміною принципу керування, так і вдосконаленням конструкції приладу. Швидке вимкнення реалізується перетворенням тиристорної структури на транзисторну при замиканні приладу, що робить прилад не чутливим до ефекту du/dt.

GCT у фазах включення, провідного та блокуючого стану керується так само, як і GTO. При вимкненні керування GCT має дві особливості:

• струм управління Ig дорівнює або перевершує анодний струм Ia (для тиристорів GTO Ig менше 3 - 5 разів);
• керуючий електрод має низьку індуктивність, що дозволяє досягти швидкості наростання струму управління dig/dt, що дорівнює 3000 А/мкс і більше (для тиристорів GTO значення dig/dt становить 30-40 А/мкс).

Мал. 5. Розподіл струмів у структурі тиристора GCT при вимкненні

На рис. 5 показано розподіл струмів у структурі тиристора GCT при вимиканні приладу. Як зазначалося, процес включення подібний до включення тиристорів GTO. Процес вимкнення відмінний. Після подачі негативного імпульсу управління (-Ig) рівного по амплітуді величині анодного струму (Ia) весь прямий струм, що проходить через прилад, відхиляється в систему управління і досягає катода, минаючи перехід j3 (між областями p і n). Перехід j3 зміщується у напрямку, і катодний транзистор npn закривається. Подальше вимкнення GCT аналогічно виключенню будь-якого біполярного транзистора, що не вимагає зовнішнього обмеження швидкості наростання прямої напруги du/dt і, отже, допускає відсутність ланцюжка снабберной.

Зміна конструкції GCT пов'язана з тим, що динамічні процеси, що виникають у приладі при вимкненні, протікають на один - два порядки швидше, ніж у GTO. Так, якщо мінімальний час вимкнення та блокуючого стану для GTO становить 100 мкс, для GCT ця величина не перевищує 10 мкс. Швидкість наростання струму керування при вимкненні GCT становить 3000 А/мкс, GTO – не перевищує 40 А/мкс.

Щоб забезпечити високу динаміку комутаційних процесів, змінили конструкцію виведення керуючого електрода та з'єднання приладу з формувачем імпульсів системи керування. Висновок виконаний кільцевим, що оперізує прилад по колу. Кільце проходить крізь керамічний корпус тиристора і контактує: усередині з осередками електрода, що управляє; зовні - з пластиною, що з'єднує електрод, що управляє, з формувачем імпульсів.

Зараз тиристори GTO виробляють кілька великих фірм Японії та Європи: "Toshiba", "Hitachi", "Mitsubishi", "ABB", "Eupec". Параметри приладів по напрузі UDRM: 2500, 4500, 6000 В; по струму ITGQM (максимальний струм, що замикається, що повторюється): 1000 А, 2000 А, 2500 А, 3000 А, 4000 А, 6000 А.

Тиристори GCT випускають фірми "Mitsubishi" та "ABB". Прилади розраховані на напругу UDRM до 4500 В та струм ITGQM до 4000 А.

В даний час тиристори GCT і GTO освоєні на російському підприємстві ВАТ "Електровипрямляч" (м. Саранськ). ) та ін з діаметром кремнієвої пластини до 125 мм і діапазоном напруг UDRM 1200 - 6000 В і струмів ITGQM 630 - 4000 А.

Паралельно з тиристорами, що замикаються, і для використання в комплекті з ними у ВАТ "Електровипрямляч" розроблені та освоєні в серійному виробництві швидковідновлювані діоди для демпфуючих (снабберних) ланцюгів і діоди зворотного струму, а також потужний імпульсний транзистор для вихідних каскадів.

Тиристори IGCT

Завдяки концепції жорсткого управління (тонке регулювання легуючих профілів, мезатехнологія, протонне та електронне опромінення для створення спеціального розподілу контрольованих рекомбінаційних центрів, технологія так званих прозорих або тонких емітерів, застосування буферного шару в n - базовій області та ін.) вдалося досягти значно TO при вимкненні. Наступним великим досягненням у технології жорстко керованих GTO (HD GTO) з точки зору приладу, управління та застосування стала ідея керованих приладів, що базуються на новому "тиристорі, що замикається, з інтегрованим блоком управління (драйвером"" (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)) . Завдяки технології жорсткого управління рівномірне перемикання збільшує область безпечної роботи IGCT до меж, обмежених лавинним пробоєм, тобто. до фізичних можливостей кремнію Не потрібно жодних захисних ланцюгів від перевищення du/dt. Поєднання з покращеними показниками втрат потужності дозволило знайти нові сфери застосування в кілогерцевому діапазоні. Потужність, необхідна для керування, знижена в 5 разів у порівнянні зі стандартними GTO, переважно за рахунок прозорої конструкції анода. Нове сімейство приладів IGCT з монолітними інтегрованими високо потужними діодами було розроблено для застосування в діапазоні 0,5 - 6 МВ*А. За існуючої технічної можливості послідовного та паралельного з'єднання прилади IGCT дозволяють нарощувати рівень потужності до кількох сотень мегавольт-ампер.

При інтегрованому блоці управління катодний струм знижується до того, як анодна напруга починає збільшуватися. Це досягається за рахунок дуже низької індуктивності ланцюга електрода, що реалізується за рахунок коаксіального з'єднання управляючого електрода в поєднанні з багатошаровою платою блоку управління. В результаті стало можливим досягти значення швидкості струму, що вимикається 4 кА/мкс. При напрузі управління UGK=20 В. коли катодний струм стає рівним нулю, анодний струм, що залишився, переходить в блок управління, який має в цей момент низький опір. За рахунок цього споживання енергії блоком керування мінімізується.

Працюючи при "жорсткому" управлінні, тиристор переходить при замиканні з p-n-p-n стану в p-n-p режим за 1 мкс. Виключення відбувається повністю у транзисторному режимі, усуваючи будь-яку можливість виникнення тригерного ефекту.

Зменшення товщини приладу досягається рахунок використання буферного шару за анода. Буферний шар силових напівпровідників покращує характеристики традиційних елементів за рахунок зниження їх товщини на 30% при тому ж прямому пробивному напрузі. Головна перевага тонких елементів - поліпшення технологічних характеристик за низьких статичних і динамічних втрат. Такий буферний шар у чотиришаровому приладі вимагає усунення анодних закороток, але зберігається ефективне звільнення електронів під час вимкнення. У новому приладі IGCT буферний шар комбінується із прозорим анодним емітером. Прозорий анод - це p-n перехід із керованою струмом ефективністю емітера.

Для максимальної завадостійкості та компактності блок керування оточує IGCT, формуючи єдину конструкцію з охолоджувачем, і містить тільки ту частину схеми, яка потрібна для керування безпосередньо IGCT. Як наслідок, зменшено кількість елементів керуючого блоку, знижено параметри розсіювання тепла, електричних та теплових навантажень. Тому також істотно знижено вартість блоку управління та інтенсивність відмов. IGCT, з його інтегрованим керуючим блоком, легко фіксується в модулі і точно з'єднується з джерелом живлення та джерелом сигналу керуючого через оптоволокно. Шляхом простого розмикання пружини завдяки детально розробленій притискній контактній системі до IGCT додається правильно розраховане притискне зусилля, що створює електричний і тепловий контакт. Таким чином, досягається максимальне полегшення складання та найбільша надійність. При роботі IGCT без снаббера зворотний діод теж повинен працювати без снаббера. Ці вимоги виконує високопотужний діод у притискному корпусі з покращеними характеристиками, зроблений з використанням процесу опромінення у поєднанні з класичними процесами. Можливості із забезпечення di/dt визначаються роботою діода (див. рис. 6).

Мал. 6. Спрощена схема трифазного інвертора на IGCT

Основний виробник IGCT фірма "ABB". Параметри тиристорів по напрузі U DRM: 4500 В, 6000 В; за струмом ITGQM: 3000 А, 4000 А.

Висновок

Швидкий розвиток на початку 90-х років технології силових транзисторів призвело до появи нового класу приладів – біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors). Основними перевагами IGBT є високі значення робочої частоти, ККД, простота та компактність схем управління (внаслідок малості струму управління).

Поява в останні роки IGBT з робочою напругою до 4500 В і здатністю комутувати струми до 1800 А призвела до витіснення тиристорів (GTO), що замикаються, в пристроях потужністю до 1 МВт і напругою до 3,5 кВ.

Однак нові прилади IGCT, здатні працювати з частотами перемикання від 500 Гц до 2 кГц і мають більш високі параметри в порівнянні з IGBT транзисторами, поєднують в собі оптимальну комбінацію доведених технологій тиристорів з властивими їм низькими втратами, і безпостачною високоефективною технологією виключення шляхів керуючий електрод. Прилад IGCT сьогодні - ідеальне рішення для застосування в галузі силової електроніки середньої та високої напруги.

Характеристики сучасних потужних силових ключів із двостороннім тепловідведенням наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики сучасних потужних силових ключів із двостороннім тепловідведенням

Тип приладу	Переваги	Недоліки	Області застосування
Традиційний тиристор (SCR)	Найнижчі втрати у включеному стані. Висока перевантажувальна здатність. Висока надійність. Легко з'єднуються паралельно та послідовно.	Не здатний до примусового замикання керуючого електрода. Низька робоча частота.	Привід постійного струму; потужні джерела живлення; зварювання; плавлення та нагрівання; статичні компенсатори; ключі змінного струму
GTO	Здатність до керованого замикання. Порівняно висока перевантажувальна здатність. Можливість послідовного з'єднання. Робочі частоти 250 Гц при напрузі до 4 кВ.	Високі втрати у ввімкненому стані. Дуже великі втрати у системі управління. Складні системи управління та подачі енергії на потенціал. Великі втрати на перемикання.	Електропривод; статичні компенсатори; реактивної потужності; системи безперебійного живлення; індукційне нагрівання
IGCT	Здатність до керованого замикання. Перевантажувальна здатність та сама, що й у GTO. Низькі втрати у ввімкненому стані на перемикання. Робоча частота – до одиниць, кГц. Вбудований блок керування (драйвер). Можливість послідовного з'єднання.	Не виявлено через відсутність досвіду експлуатації	Потужні джерела живлення (інверторна та випрямна підстанції ліній передач постійного струму); електропривод (інвертори напруги для перетворювачів частоти та електроприводів різного призначення)
IGBT	Здатність до керованого замикання. Найвища робоча частота (до 10 кГц). Проста неенергоємна система керування. Вбудований драйвер.	Дуже високі втрати у ввімкненому стані.	Електропривод (чопери); системи безперебійного живлення; статичні компенсатори та активні фільтри; ключові джерела живлення

Для того, щоб ясно уявити собі роботу, необхідно дати поняття про сутність роботи тиристора.

Керований провідник, що складається з чотирьох напівпровідникових переходів P-N-P-N. Його принцип роботи аналогічний роботі діода і здійснюється на час вступу на керуючий електрод електроструму.

Проходження через тиристор струму можливе лише в тому випадку, якщо потенціал анода буде вищим, ніж потенціал катода. Струм через тиристор припиняє проходити тоді, коли величина струму знизиться до порога закриття. Струм, який надходить на керуючий електрод не впливає на величину струму в основній частині тиристора і, крім того, йому не потрібна постійна підтримка при основному стані тиристора, він необхідний виключно для відкриття тиристора.

Існує кілька вирішальних характеристик тиристора

У відкритому стані, сприятливому для струмопровідної функції, тиристор характеризують такі показники:

• Падіння напруги, воно визначається як гранична напруга за допомогою внутрішнього опору.
• Максимально допустиме значення струму до 5000 А, середньоквадратична величина, властива найпотужніших компонентів.

У замкненому стані тиристора – це:

• Пряма максимально допустима напруга (вища, ніж 5000А).
• У випадку пряме і зворотне значення напруги однакові.
• Час замикання або час з мінімальним значенням, протягом якого на тиристор не здійснюється вплив позитивного значення напруги анода щодо катода, інакше станеться мимовільне відмикання тиристора.
• Струм управління, властивий для відкритої основної частини тиристора.

Існують тиристори, призначені для роботи у схемах, розрахованих на невелике значення частоти та для схем з високою частотою. Це так звані швидкодіючі тиристори, їх сфера застосування розрахована на кілька кілогерців. Для швидкодіючих тиристорів характерно використання неоднакової прямої та зворотної напруги.

Для збільшення постійного значення напруги

Мал. №1. Габаритно-приєднувальні розміри та креслення тиристора. m 1, m 2 - контрольні точки, в яких відбувається замір імпульсної напруги під час відкритого стану. L 1 min -Найменший повітряний проміжок (відстань) по повітрю між висновками анода і керуючого електрода; L 2 min - Мінімальна відстань довжина проходження струму витоку між висновками.

Різновиди тиристорів

• – тиристор діодний, має два виведення анод та катод.
• Триністор - тріодний тиристор оснащений додатковим електродом, що управляє.
• Симистор – симетричний тиристор, він є зустрічно-послідовним з'єднанням тиристорів, має можливість пропускати струм у прямому та зворотному напрямках.

Мал. №2. Структура (а) та вольт-амперна характеристика (ВАХ) тиристора.

Тиристори призначені для роботи в схемах з різними межами частот, у звичайному застосуванні тиристори можуть з'єднуватися з діодами, який підключається зустрічно-включеним способом, ця властивість використовується для того, щоб збільшити постійну напругу, величину якого компонент здатний витримати у вимкненому стані. Для удосконалених схем використовується тиристорGTO (Gate Turn Oee – тиристор, що замикається), він повністю керований. Його замикання відбувається за керуючим електродом. Використання тиристорів подібного роду знайшло застосування у дуже потужних перетворювачах, оскільки він може пропускати високі струми.

Пишіть коментарі, доповнення до статті, може, я щось пропустив. Загляньте на , буду радий якщо ви знайдете на моєму ще щось корисне.