Керовані тиристори

Рисунок 62 Структура тиристора з керуючим електродом

Рисунок 63 Вольт-амперні характеристики тиристора з керуючим електродом

Для того, щоб переключити тиристор із закритого стану в відкритий необхідно компенсувати збитковими зарядами контактну різницю потенціалів колекторного переходу. Це можна зробити за рахунок додаткового зовнішнього джерела живлення, щоб збільшити збитковий заряд в одній із баз. Для цього в одній із баз створюють не випрямляючий контакт з виводом, який називається керуючим електродом.

Щоб перемкнути тиристор через керуючий перехід необхідно від зовнішнього джерела збільшити кількість носіїв заряду в базі, в результаті цього загальний струм буде рівний:

Тоді умову переключення можна записати так:

Де α = α1+ α2 загальний коефіцієнт передачі струму

Змінюючи струм керуючого електроду, можна керувати напругою переключення із закритого стану в відкритий. При цьому важливу роль відіграє тривалість і потужність керуючого імпульсу. Керуючий імпульс повинний мати тривалість таку, щоб відбувалися перехідні процеси до створення лавиноподібного перехідного процесу, коли коефіцієнт α стане більше одиниці.

Керований тиристор, змінюючи струм управління, має різні вольт-амперні характеристики, при яких напруга переключення найбільша при струмі управління, рівному нулю, а при збільшенні струму управління напруга буде зменшуватися.

Тиристор характеризується коефіцієнтом запирання:

.

Методи переключення тиристора

Рисунок 64 Схема вмикання тиристора з керуючим електродом та часові залежності струму і напруги

При роботі тиристора з навантаженням він вмикається послідовно з опором навантаження і підключається до джерела змінного струму. При цьому процес включення тиристора розділяють на дві частини:

включення тиристора, коли тиристор переходить із закритого стану в відкритий;

виключення, коли тиристор під дією зовнішньої напруги переходить із відкритого в закритий стан.

На ці процеси впливають різні фізичні процеси, які проходять в самому тиристорі, зовнішні фактори (температура навколишнього середовища), тип навантаження (чисто активне навантаження, ємнісне, індуктивне або змішане).

Включення тиристора

Включення тиристора в роботу можна провести декількома способами.

1. Включення тиристора шляхом збільшення анодної напруги

При цьому процесі напругу, прикладену між анодом і катодом (емітером і колектором), необхідно повільно збільшувати від нуля, коли тиристор знаходиться в виключеному положенні, до напруги, коли за рахунок інжекції носіїв заряду буде скомпенсована різниця потенціалів на колекторному переході. Для практичний цілей такий спосіб переведення тиристора із одного стану в інший не застосовується, тому що джерело живлення має напругу, яка змінюється в часі по різним законам і застосовується тільки при знятті вольт-амперних характеристик.

2. Включення тиристора за допомогою струму управління

Збільшенні струму через один із емітерних переходів дає можливість додатково накопичувати носії заряду і переключити тиристор з закритого стану в відкритий при меншій напрузі, для цього використовують у керуючих тиристорів керуючий електрод, який відводять для кращого переключення від бази з меншою шириною.

Для створення струму керування на керуючий електрод подають відповідну напругу від додаткового джерела або зі спеціальної схеми управління.

В коло керуючого електроду вмикають обмежуючий опір, і подана напруга сприяє накопиченню не рівноважних носіїв заряду в базі, і це приводить до зменшення напруги переключення тиристора. Оскільки тиристор миттєво переключитися не може, це пов’язано з різними фізичними процесами в ньому, то імпульс керуючої напруги повинен мати визначену тривалість імпульсу і амплітуду. Процес переключення умовно розбивають на дві частини які характеризуються кожна своїм часом.

Час затримки – визначається процесом дифузії інжектованих із n- емітера електронів через р- базу до колекторного p-n-переходу. Струм через колекторний перехід (а відповідно і через тиристор) буде зростати тільки тоді, коли інжектовані із n- емітера електрони дійдуть до колекторного переходу. Цей час умовно визначають по перехідній характеристиці струму або напруги. Час затримки – це час, протягом якого струм досягне 0,1 нормального робочого струму при даному навантажені, або коли напруга на тиристорі зменшується до 0,9 напруги переключення.

Час наростання струму (спаду напруги) – це час, пов’язаний з інерційністю процесу накопичення носіїв заряду в базах при створенні не рівноважного заряду. За цей час проходить різке збільшення струму через тиристор або спад напруги, і цей час умовно визначають відповідними величинами напруги або струму, яких вони досягають за час наростання. Як правило, за час наростання струм збільшується до 0,9 або зменшується напруга до 0,1 відповідних значень. В цьому інтервалі часу інтенсивно збільшується кількість носіїв заряду і теоретично цей час відповідає умові рівності одиниці сумарного коефіцієнта передачі струму тиристорної структури (α=1).

Але зовнішнє навантаження, як правило, значно менше абсолютної величини опору ділянки з від’ємним опором, тобто |R_T|>R_H , тому в цей час α>>1, і при відсутності струму керування тиристор самовільно перейде із закритого стану в відкритий, і це буде визначати необхідну тривалість керуючого імпульсу.

Тривалість керуючого імпульсу повинна бути декілька більше часу затримки t₃ , щоб відбулися перехідні процеси накопичення не рівноважних носіїв заряду.

При роботі тиристора в перехідному режимі через нього проходить великий струм (α>1) і прикладена висока напруга, тому на тиристорі виділяється значна потужність, що може призвести до перегріву тиристора. Цю потужність називають потужністю комутаційних втрат, і вона не повинна перевищувати допустиму потужність, що розсіюється тиристором, щоб тиристор не перегрівся і не відбулося локальне руйнування структури, особливо в потужних тиристорах, через які проходить струм порядку декількох тисяч ампер. В залежності від напруги, при якій повинен переключатися тиристор, визначають потужність керуючого імпульсу.

3. Включення тиристора шляхом швидкого збільшення анодної напруги.

Тиристор, як чотирьохшарова структура, має дві емітерних ємності і одну колекторну. При швидкій зміні анодної напруги через тиристор додатково буде проходити ємнісний струм .

Цей струм залежить від величини ємностей і пов’язаний із різними фізичними процесами.

Рисунок 65 Залежність напруги включення від швидкості наростання

Тому емітерні і колекторні ємності по різному впливають на перехідний процес, а відповідно на напругу переключення тиристора. Так ємнісний струм колекторного переходу залежить від величини бар’єрної ємності і напруги, прикладеної до зворотно ввімкненого p-n-переходу, а відповідно і від того, як ця напруга змінюється в часі. Чим більше швидкість наростання анодної напруги на тиристорі, тим більше ємнісний струм колекторного переходу, який проходить через два емітерні переходи і впливає на збільшення струму, що в свою чергу приводить до збільшення інжектованих носіїв із емітера, і це призведе до зменшення напруги включеного тиристора.

Бар’єрні ємності емітерних переходів по своїй величині набагато більші ємності колекторного переходу, але шунтуються значно меншим опором. Ємнісні струми не пов’язані з інжекцією носіїв, то при швидкій зміні анодної напруги перехід тиристора з закритого стану в відкритий повинен відбутися при збільшенні анодної напруги, тому що струми не сприяють збільшенню носіїв заряду, інжектованих через емітерні переходи. В зв’язку з тим, що сталі часу емітерних переходів дуже малі, то практичного значення ємності емітерних переходів не мають і основний вплив має колекторна ємність, тому при швидкій зміні анодної напруги буде зменшуватися напруга ввімкнення тиристора.