7.7. Симметричные тиристоры (симисторы)

В некоторых схемах требуются приборы, которые можно включить как в прямом, так и в обратном направлении. Этому требованию отвечают симисторы.

Условное графическое обозначение симистора представлено на рис. 7.8.

а б

Рис. 7.8. Условное графическое обозначение (а) и представление симистора в виде двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (б)

При подаче импульса тока управления на управляющий электрод симистор включается при любой полярности анодного напряжения. Выключается– как обычный тиристор.

ВАХ симистора аналогична ВАХ двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 7.9).

Выпрямительный элемент симистора (рис. 7.10) имеет пятислойную структуру (n-p-n-p-n). Крайние переходы симистора замкнуты металлическими контактами (шунтами Ш₁, Ш₂) электродов А и В. Управляющий электрод подключен к области p₂.

Если полярность поданного напряжения следующая (на рис. 7.10 – без скобок): «минус» на электроде А и «плюс» на электроде В, то переход П₄ закрыт. При подаче положительного импульса на управляющий электрод (УЭ) ток проходит по пути n₁-p₂-n₃-p₄, как и в обычном тиристоре.

Рис. 7.9. Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора

Рис. 7.10. Структура симистора

При обратной полярности: «плюс» на электроде А и «минус» на электроде В, переход П₁ закрыт. Напряжение приложено к слоям p₂-n₃-p₄-n₅. При подаче на управляющий электрод положительного импульса электроны из цепи управления попадают в слой p₂ и под действием поля перехода П₂ переходят в слой n₃, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию дырок из слоя p₂ в слой n₃. Далее дырки переходят в слой p₄, у которого отрицательный потенциал. Возникает лавинный процесс нарастания тока и симистор открывается.

Прямая и обратная ветви ВАХ симистора имеют идентичный характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора.

Симисторы, как и обычные тиристоры, разбивают на группы по среднему падению напряжения и на классы по номинальному рабочему напряжению.

Симисторы применяют в качестве бесконтактных переключателей и управляемых вентилей для преобразования электрического тока.

7.8. Полностью управляемые тиристоры

Полностью управляемые тиристоры в различных источниках имеют следующие названия: запираемые, выключаемые, двухоперационные, GTO-тиристоры.

У обычных тиристоров можно управлять моментом включения, но нельзя управлять моментом окончания токовой проводимости. В связи с этим использование тиристоров в цепях постоянного тока, а также в инверторах, требует применения специальных средств (схем индуктивно-емкостных контуров коммутации), гасящих ток.

Условное графическое обозначение запираемого тиристора приведено на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Условное графическое обозначение запираемого тиристора

В запираемых тиристорах положительным управляющим импульсом обеспечивается перевод тиристора в проводящее состояние, а отрицательным импульсом – выключение тиристора.

ВАХ запираемого тиристора аналогична ВАХ обычного тиристора, аналогичен и процесс включения.

Запираемый тиристор имеет такую же четырехслойную структуру, что и обычный тиристор, поэтому к ним применим транзисторный аналог. При подаче отрицательного импульса тока управления в базовый слой структуры уменьшается заряд в обоих базах транзисторов. При этом уменьшаются все составляющие тока тиристора и он выключается.

Переходный процесс выключения запираемого тиристора током в цепи управления происходит в три этапа (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Переходные процессы при выключении запираемого тиристора

На первом этапе при протекании тока I_A = const подается импульс тока управления I_у на управляющий электрод (рис. 7.12, а). При этом происходит снижение значения тока катода I_к = (I_А – I_у). Чтобы первый этап перешел во второй необходимо определенное значение запирающего тока управляющего электрода, намного большее, чем значение тока включения (I_{у закр}  I_{у вкл}). Значение тока запирания I_{у закр} и тока анода I_А связаны значением коэффициента усиления при выключении:

(7.6)

Обычно G = = 3-5.

Второй этап характеризуется резким снижением токов I_А и I_К (рис. 7.12, а, б). В течение этого этапа происходит дальнейшее снижение концентрации носителей заряда в обеих базах структуры. Этап заканчивается тогда, когда эта концентрация становится равной нулю, при этом по цепи управляющего электрода и катода протекает обратный ток.

На третьем этапе происходит рассасывание неосновных носителей и ток тиристора снижается до нуля (рис. 7.12, а).

Основное конструктивное отличие запираемых тиристоров от обычных (незапираемых) заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и p-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), так же равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой р имеет шунты (зоны с n-типом проводимости), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах для снижения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

Запираемые тиристоры изготавливают в штыревых и таблеточных корпусах, устанавливаемых на типовых охладителях.