Тиристоры. 
Электронные аппараты

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями (закрытое и открытое), имеющий три или более р-п переходов. Традиционным типом тиристора является кремниевый управляемый вентиль (от англ. SCR — silicon controlled rectifier). Характерная черта тиристора — неполная управляемость, так как его можно включить, г. е. перевести в проводящее состояние управляющим сигналом, а для выключения необходимо обеспечить спад его прямого тока до нуля. Поэтому в отечественной литературе иногда используют термин «однооперационный тиристор» [1]. В последнее время существует много видов тиристоров, значительно отличающихся по управляемости и иным характеристикам от традиционного. В дальнейшем мы будем называть SCR просто тиристором, а другие разновидности — с использованием дополнительных общепринятых терминов или аббревиатур.

Тиристор имеет четырехслойную />-/г-/э-и-структуру с тремя выводами: анод (А), катод © и управляющий электрод (G) (рис. 1.15, а, 6). Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: р-п-р и п-р-п, эквивалентных биполярным транзисторам (рис. 1.15, в, г). В этом случае анодный ток тиристора i_A может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных транзисторов VT1 и VT2. Ток i_A резко возрастает благодаря положительной обратной связи между током коллектора /_С1 транзистора VT1 и током базы i_B2 транзистора V72, возникает процесс лавинообразного увеличения тока i_A. Увеличение тока управления тиристора i_G приводит к включению транзистора VT2 и соответственно к увеличению тока базы транзистора VT1 и также к его включению. Благодаря положительной обратной связи между этими эквивалентными транзисторами включение тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда ток ограничивается сопротивлением нагрузки.

Рис. 1.15. Тиристор:

а — обозначение; б — структура; в — представление в виде двух трехслойных структур; г — эквивалентная схема замещения Прекращение протекания тока управления после включения тиристора не приведет к его выключению. Если ток анода по каким-либо внешним причинам спадает до нуля и внутренние емкости эквивалентных транзисторов разряжаются, то тиристор не перейдет в проводящее состояние при приложении прямого напряжения между анодом и катодом, но без подачи импульса тока управления. Тиристор способен выдерживать как прямое, так и обратное напряжение, не переходя в проводящее состояние. Таким образом, условия включения тиристора — подача прямого напряжения (и_АС > 0) и импульса тока управления i_G, а условия выключения — спадание прямого тока тиристора до нуля (i_A = 0) и восстановление его запирающей способности при и ЛС^< 0- Поскольку в тиристоре сигнал управления определяет только момент включения, его называют не полностью управляемым (полууправляемым) силовым электронным ключом.

На рис. 1.16 представлена схема включения тиристора и соответствующие вольт-амперные характеристики. Прямое напряжение, выдерживаемое тиристором без его включения, максимально при нулевом токе управления. При увеличении i_G выдерживаемое прямое напряжение снижается (рис. 1.16, б). Выключенному состоянию соответствует ветвь I, ветвь II — включенному состоянию, а участок III — процессу включения тиристора. При приложении обратного напряжения в тиристоре возникает ток утечки (участок IV). При превышении напряжением u_ACR предельного значения U_B0 обратный ток резко возрастает из-за пробоя тиристора.

Статические входные ВАХ представляют зависимость тока управления тиристора от напряжения u_GC (рис. 1.16, в). Семейство характеристик расположено в области, ограниченной характеристиками при максимальной допустимой рабочей температуре (кривая 1) и при минимальной температуре (кривая 2). Значения I_Gmin, U_GCm[n соответствуют минимальным току и напряжению, при которых происходит гарантированное включение тиристора. Существуют ограничения по максимальному току и напряжению управления (I_{G шах}, U_GCmах), а также на максимальную мощность управления P_{G max}, значение которой зависит от длительности сигналов управления. Нагрузочная характеристика (кривая 3) должна находиться в пределах указанных ограничений.

Рис. 1.16. Специфика работы тиристора:

а — схема включения тиристора; 6 — выходные ВАХ; в — входные ВАХ Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами. Параметры тиристоров сильно различаются. Существуют приборы, способные выдерживать напряжение до 10 кВ, на ток до 10 к А. В основном тиристоры используются в схемах силовых преобразовательных устройств, работающих на частоте 50 Гц, так как их время выключения может достигать нескольких миллисекунд.

На длительность переходного процесса при включении тиристора значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и др.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления, температура, напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения du_ACF/dt, при которых может происходить несанкционированное включение тиристора (при отсутствии сигнала управления). Также в случае превышения критической скорости нарастания тока di_A/dt может произойти локальное повреждение структуры тиристора. Процесс выключения тиристора сходен с процессом выключения диода. Время выключения складывается из времени протекания обратного тока и времени рекомбинации избыточных носителей заряда. В течение этого времени происходит восстановление запирающих свойств тиристора, и он снова способен выдерживать прямое напряжение, оставаясь закрытым при отсутствии управляющего импульса.

Поскольку условиями выключения тиристора являются снижение протекающего тока до нуля и приложение отрицательного напряжения, то среди способов выключения (коммутации) тиристоров принято различать естественное выключение и принудительное (искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит под воздействием переменного напряжения источника и используется в схемах регуляторов и выпрямителей. Принудительная коммутация в основном используется в схемах с источниками постоянного напряжения. Способы искусственной коммутации весьма разнообразны (см. работу [1]). Три наиболее характерных способа представлены на рис. 1.17.

Первый способ принудительного выключения — подключение к тиристору предварительно заряженного конденсатора (рис. 1.17, а). Подключение может выполняться при помощи другого тиристора — вспомогательного. После подключения параллельно с основным тиристором конденсатора ток в тиристоре снизится до нуля, а ток конденсатора скачком возрастет, и конденсатор начнет перезаряжаться. Пока полярность напряжения на конденсаторе не изменится, к тиристору будет приложено отрицательное напряжение, под действием которого восстанавливается запирающая способность тиристора. Длительность соответствующего интервала времени не должна быть меньше минимального времени выключения тиристора, которое указано в справочных данных для конкретного прибора.

Второй характерный способ искусственной коммутации — использование колебательного Z. С-контура с предварительно заряженным конденсатором (рис. 1.17, б). После подключения LC-цепи в ней начинается рост тока г_к, который имеет колебательный характер. Ток нагрузки г_и практически не меняется, а ток тиристора начинает уменьшаться. В момент, когда г_к = z_H, ток тиристора VS спадает до нуля, и открывается параллельный диод VI). Диод будет оставаться открытым до тех пор, пока ток контура вновь не станет равным току нагрузки. На интервале проводимости диода напряжение на тиристоре будет определяться падением напряжения на диоде. Этот интервал должен быть больше времени выключения тиристора.

Третий способ коммутации осуществляется за счет колебательного характера тока нагрузки (рис. 1.17, в), и поэтому его можно назвать квазиестественным. При определенных параметрах ТДС-нагрузки переходной процесс при включении тиристора будет колебательным с изменением полярности тока г_и. Тогда при переходе тока через нуль откроется диод, включенный встречно-параллельно тиристору. Ток тиристора станет равен нулю, а напряжение на нем будет отрицательным и равным падению напряжения на диоде.

Рис. 1.17. Способы коммутации тиристоров:

а — подключение заряженного конденсатора; б — использование колебательного контура; в — за счет колебательного характера тока нагрузки Существуют разновидности тиристоров, имеющие более узкие области применения: симисторы (от англ. TRIAC — triode for alternating current), тиристоры с интегрированным обратным диодом, фототиристоры. Симистор (симметричный тиристор) представляет собой соединение двух встречно включенных тиристоров в одном приборе с общим электродом управления, используется в регуляторах переменного тока. Тиристоры с интегрированным обратным диодом содержат встречно включенный диод, что позволяет проводить ток в обратном направлении в схемах с индуктивной нагрузкой, а также улучшает условия выключения тиристора и повышает его быстродействие. Фототиристор (оптоуправляемый тиристор) включается воздействием светового потока, источники которого подключаются к тиристору через оптокабели.

Запираемые тиристоры (от англ. GTO — gate turn off thyristor) могут быть переключены из открытого состояния в закрытое и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Для выключения GTO необходимо подать на его управляющий электрод мощный импульс отрицательного тока короткой длительности (10— 100 мкс). Структуры и характеристики запираемого и обычного тиристоров подобны. Отличается конструкция катода, который выполняется сильно разветвленным — в виде большого числа сегментов в форме концентрических окружностей, имеющих общий контакт с управляющим электродом. Это позволяет достичь быстрого уменьшения тока (выключения тиристора) при быстром росте запирающего тока управляющего электрода.

По сравнению с обычными тиристорами GTO имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20—30%). В настоящее время созданы запираемые тиристоры с максимальными значениями напряжения до 6 кВ и тока до 6 кА. Запираемые тиристоры являются наиболее мощным полностью управляемым электронным ключом и имеют много модификаций. По способности блокирования обратного напряжения выделяют три группы GTO:

• — симметричные (блокируют равные по величине прямое и обратное напряжения);
• — асимметричные (выдерживают обратное напряжение на уровне пробоя р-и-перехода управляющий электрод-катод, примерно 20 В);
• — обратнопроводящие (содержат встречно включенный быстродействующий диод, проводящий ток в обратном направлении).

Разновидностями запираемого тиристора являются тиристор, коммутируемый по управлению (от англ. GCT — gate commutated thyristor), и коммутируемый тиристор с интегрированным управлением (от англ. IGCT — integrated GCT). Принцип выключения этих приборов заключается в переводе полного тока с катода на управляющий электрод за очень короткое время, что позволяет существенно повысить быстродействие. За счет значительного уменьшения энергии, необходимой для выключения, стало возможным объединить драйвер, формирующий запирающий импульс управления, с самим тиристором в составе IGCT. Максимальное значение отрицательного тока управления соизмеримо с выключаемым током и составляет примерно 30% максимального допустимого значения запираемого тока (максимального мгновенного значения отключаемого тока).

Существуют и другие разновидности запираемых тиристоров: МОПуправляемые тиристоры (от англ. МСТ — МOS-controlled thyristor) и тиристоры, запираемые по эмиттеру (от англ. НТО — emitter turn-off thyristor). В структуру МСТ включены полевые транзисторы, способствующие процессам включения и выключения прибора. Тиристор ЕТО содержит запираемый тиристор, последовательно с катодом которого включен дополнительный ключ, состоящий из параллельно соединенных IGBT, обеспечивающий выключение тиристора.