Глава 5. Тиристоры

5.1. Устройство и принцип действия тиристора

Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более p-n-перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Существует несколько типов тиристоров: динистор, однооперационный тиристор, двухоперационный тиристор, симистор, фототиристор.

Рис.38. Структура одноопера-ционного тиристора

Кремниевый управляемый выпрямитель - однооперационный тиристор, представляет собой четырехслойнуюp-n-p-n структуру. Кристалл формируется диффузионным методом на базе пластинки кремния. Околокатодный слой образуется методом сплавления. Полученная таким образом “таблетка” закрепляется между

молибденовыми выводами анода и катода.

К верхнему слою приварен управляющий электрод. Полученный таким образом узел помещается в капсулу, используемую для охлаждения и защиты кристалла от механических воздействий (Рис.39).

а) б)

Рис. 39. Однооперационный тиристор

У большинства приборов капсула имеет винтовую нарезку со стороны анода, катод выполнен в виде гибкого вывода. Мощные тиристоры выполняются в “таблеточном” исполнении, т.е. в виде плоского круглого устройства, у которого обе поверхности являются контактными (Рис.39,б). Маломощные тиристоры выпускаются в корпусах, аналогичных транзисторным.

Четырехслойная структура образует три p-n -перехода. П1 и П3 называются эмиттерными, П2 - коллекторным. Области p1 и n2 - эмиттеры, p2 и n1 - базы.

Работу тиристора обычно рассматривают на модели двух транзисторов. Начнем с обратной ветви вольт-амперной характеристики.

Рис.40. Составляющие токов в тиристоре.

Обратная ветвь. Внешнее напряжение приложено минусом к аноду. На рисунке 40 это соответствует полярностям без скобок. Переход П2 смещен в прямом направлении, П1 и П3 - в обратном. П2 открыт и напряжение на нем мало. Поэтому обратное напряжение распределяется между переходами П1 и П3. Концентрация примеси в слоях p2 и n2 больше по сравнению со слоями p1 и n1. Переход П3 узкий. При обратном смещении он пробивается, поэтому все напряжение приложено к переходу П1 и обратная ветвь вольт-амперной характеристики аналогична обратной ветви единичного p-n перехода. Поэтому справедливо все, что было сказано об обратной ветви вольт-амперной характеристики диода.

Прямое смещение. Внешнее напряжение приложено плюсом к аноду, приняты полярности в скобках. Переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, П2 - в обратном. Внешнее напряжение приложено к переходу П2. Эмиттеры p1 и n2 инжектируют неосновные носители заряда в область базы. Оба транзистора работают в режиме усилителя. Рассмотрим случай, когда ток управления равен нулю.

В результате диффузии неосновные носители достигают коллекторный переход П2 и затягиваются в область коллектора. Часть носителей рекомбинирует в базовых областях с основными носителями. Обычно в транзисторах рекомбинационный ток основных носителей поступает от внешнего источника через базовый электрод. В рассматриваемом случае рекомбинационный ток в каждой из баз образуется из обратного тока коллекторного перехода и тока противоположного эмиттера. Обратный ток коллекторного перехода определяется из уравнения вольт-амперной характеристики p-n перехода

(5.1)

Выражение для вольт-амперной характеристики неуправляемого тиристора получим в виде

(5.2)

где ₁ и ₂ - статические коэффициенты передачи тока условных транзисторов; U_к = U - U_э1 - U_э2; U_э1 и U_э2 - падение напряжения на эмиттерах p-n-p и n-p-n условных транзисторов; U - напряжение на тиристоре; I_а – общий ток через тиристор.

Токи эквивалентного транзистора Т1 обусловлены движением дырок через базу n1. Составляющая ( 1 - ₁) I_э1- ток базы Т1, а ₁I_э1 - ток коллектора Т1. В эквивалентном транзисторе Т2 ток переносится электронами (на рисунке 40 показано пунктиром). Составляющая ( 1 - ₂) I_э2 - ток базы Т2, а ₂ I_э2 - ток коллектора. Через смещенный в обратном направлении переход П2 течет ток неосновных носителей. Ток I_кр образован дырками n1-области, I_кn - образован электронами p2-области. Они образуют суммарный ток I_к.

Коэффициенты₁ и ₂ зависят от тока. Коэффициент ₂ больше ₁ , т.к. база p2 тоньше базы n1 (это получено при изготовлении).

На начальном участке вольтамперной характеристики (Рис.42, участок 0 - б) U_a мало, I_a мал. ₁ и ₂ близки к 0. Величины ₁I_э1 и ₂I_э2 также близки к 0.

И

Рис.41. Зависимость коэффициентов ₁ и ₂ от тока тиристора

спользуя приведенные выше уравнения, можно показать, что при(₁ + ₂) < 1, U_K < 0, т.е. коллекторный переход включен в обратном направлении.

В

Рис.42. Вольт-амперная характе-ристика тиристора

этом случае величина рекомбинационных токов неосновных носителей в базе превышает величину тока основных носителей, поступивших от противоположного эмиттера.

Ток через П2 и тиристор определяется тепловым током I_{к .} Значит, начальный участок вольтамперной характеристики тиристора аналогичен обратной ветви вольтамперной характеристики перехода П2. По мере роста напряжения U_a растет ток I_к (растет поверхностный ток утечки и умножаются носители заряда). Растут ₁ и ₂ (Рис.42, участок б - в). Растут токи I_к , ₁I_э1, ₂I_э2.

I_П2 = I_к + ₁I_э1, + ₂I_э2 (5.3)

Поскольку I_у = 0, I_а = I_П2 = I_э1 = I_э2. Поэтому I_П2 = I_а = I_к + (₁ + ₂) I_а

(5.4)

Точка в - граничная, в ней напряжение на тиристоре достигает значения напряжения переключения.

Рост составляющих ₁I_э1, и ₂I_э2 приводит к росту концентраций носителей в базах n₁ и p₂. Снижается потенциальный барьер перехода П2. Одновременно снижаются потенциальные барьеры переходов П1 и П3, что приводит к дополнительной инжекции. Коэффициенты ₁ и ₂ еще более растут. Базы заполняются носителями зарядов. Это ведет к лавинному развитию процесса отпирания тиристора.

При (₁ + ₂) > 1, U_k = 0, коллекторный переход находится под нулевым смещением, I_к = 0. Рекомбинационный ток неосновных носителей в базе уравновешивается током основных носителей, инжектированных противоположным эмиттером. Это соответствует началу участка отрицательного сопротивления. При этом ток через тиристор начинает резко возрастать при небольшом росте напряжения.

Участок г - д (Рис.42) - открытое состояние тиристора. В точке г напряжение на переходе П2 равно нулю. При этом I_к = 0, (₁ + ₂) = 1

I_П2 = ₁I_э1, + ₂I_э2. (5.5)

Напряжение на тиристоре равно сумме напряжений на переходах П1 и П3, смещенных в прямом направлении. Переход П2 из-за наличия избыточных зарядов - дырок, в базе p₂ и электронов в базе n₁, переводится в проводящее состояние, обеспечивая инжекцию носителей. Ток I_к меняет направление. Таким образом, на участке г - д все три перехода П1, П2, П3 смещены в прямом направлении. При (₁ + ₂) > 1, напряжение U_k > 0. Коллекторный переход смещен в прямом направлении. Рекомбинационный ток неосновных носителей в базе меньше тока основных носителей, инжектированных противоположными эмиттерами. Недостающую величину неосновных носителей инжектирует коллекторный переход. Это соответствует открытому состоянию тиристора. Поскольку все p-n переходы смещены в прямом направлении, в базах повышается концентрация носителей заряда. Сопротивление тиристора становится малым.

При наличии управляющего электрода подача на него положительного относительно эмиттера напряжения приводит к перераспределению рекомбинационного тока основных носителей в базе эквивалентного n-p-n транзистора. растет ток, инжектированный его эмиттером. Вследствие этого переключение тиристора в открытое состояние наступает при более низком напряжении анод-катод.

При I_у > 0, I_П2 = I_э1 = I_а, I _э2 = I_а + I_у ,

(5.6)

При этом дополнительно растет ₂ . Наличие ₂I_у и быстрый рост ₂ приводят к более раннему открытию тиристора.

При больших I_у участок закрытого состояния тиристора на прямой ветви характеристики исчезает. Вольтамперная характеристика тиристора приближается к вольтамперной характеристике p-n перехода.

Сущность отпирания управляющим током состоит в том, что при подаче прямого напряжения тиристор закрыт, через него протекает малый ток. В требуемый момент времени подается импульс E_у задающий необходимый импульс тока I_у . Он больше тока спрямления, поэтому рабочая точка переходит на ветвь г - д:

(5.7)

Для того, чтобы тиристор перешел в закрытое состояние, необходимо уменьшить его анодный ток до величины, меньшей тока удержания. Это можно сделать за счет изменения полярности анодного напряжения.

2. Предельно допустимые значения и характеризующие параметры тиристоров

Параметры силовых полупроводниковых приборов разделены на две группы: предельно допустимые значения и характеризующие параметры. Под допустимым значением следует понимать значение любой электрической, тепловой, механической величины, относящейся к окружающей среде, определяющее условия, при которых ожидается удовлетворительная работа прибора.

Предельно допустимое значение - это допустимое значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, за пределами которых прибор может быть поврежден. Предельная способность и предельное условие могут быть максимальными и минимальными. Предельно допустимые значения устанавливаются на основе опыта, испытаний или расчетов.

Характеризующий параметр - значение электрической, тепловой или механической величины, которое характеризует соответствующее свойство прибора. Характеризующие параметры могут измеряться непосредственно или косвенно.

В действующем ГОСТе принята следующая система условных обозначений. Для обозначения величин (основные буквы) принято использовать прописные буквы (кроме мгновенных значений, для обозначения которых используются строчные). Индексы обозначаются преимущественно прописными буквами.

A - вывод анода

AV (AV) - среднее значение

(BO) - соответствует переключению

(BR) - соответствует пробою

D, d - закрытое состояние, в качестве второй буквы - неотпирающий

F - прямое направление (относится к диоду)

G, g - вывод управляющего электрода

H - соответствует удержанию

K - вывод катода

L - соответствует включению

M - основной вывод, импульсное (амплитудное) значение

O - разомкнутая цепь

(OV) - соответствует перегрузке

Q - запирающий

R, r - обратное направление, в качестве второй буквы - повторяющийся, соответствует восстановлению

RMS, (RMS) - действующее значение

S - короткозамкнутая цепь, в качестве второй буквы - неповторяющийся

T - открытое состояние тиристора, в качестве второй буквы - отпирающий

(TO) - пороговый

W - рабочий

com - коммутационный

crit - критическое значение

d - задержка

f - спад

m - максимально допустимое значение

min - минимально допустимое значение

r - нарастание

s - запаздывание

t - включение

tot - общее (суммарное) значение

К основным параметрам тиристоров стандарт относит следующие.

1. Повторяющиеся и неповторяющиеся импульсные напряжения. По характеристике, приведенной на рисунке 43, видно, что при превышении определенного обратного напряжения U_(BR) у тиристора обратный ток может достигать больших значений, что приводит к выходу прибора из строя. Если превысить определенное значение прямого напряжения в закрытом состоянии U_(BO) , то он переходит в открытое состояние без подачи управляющего сигнала, что при работе преобразователей является аварийным режимом.

Рис.43. Количественные характеристики основных параметров по напряжению.

Класс полупроводникового прибора определяется по наименьшему из значений повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии U_DRM . U_RRM и U_DRM .определяются путем умножения на коэффициент меньше единицы напряжений пробоя и переключения. Конкретное значение коэффициента определяет изготовитель. Число сотен вольт этих напряжений определяет класс прибора. Для предотвращения повреждения тиристоров в переходных режимах от коммутационных напряжений в справочниках приводят значения допустимых неповторяющихся напряжений U_RSM и U_DSM. Рабочие напряжения выбираются обычно с запасом. Это напряжения U_RWM и U_DWM.

2. Максимально допустимый средний ток . Это среднее за период значение прямого тока в однофазной однополупериодной схеме с активным сопротивлением нагрузки. Этот параметр определяется условиями работы тиристора. Возможно несколько значений. Максимально допустимый средний ток при заданной температуре корпуса - I_TAVm. Этот ток определяется пороговым напряжением, дифференциальным сопротивлением, температурными условиями. Он может задаваться и для определенных условий охлаждения, для определенных условий работы. В последнем случае учитывается дополнительно форма кривой тока.

В отдельных случаях при хороших условиях охлаждения возможен ток выше I_TAVm, но в любом случае он не должен превышать максимально допустимое действующее значение 1,57 I_TAVm. В ряде случаев регламентируется допустимый ток при определенной длительности импульса тока и определенной частоте. При частоте , отличной от 50 Гц, допустимый средний ток снижается из-за дополнительных потерь при повышенных частотах и повышения амплитуды импульсов тока при пониженных частотах.

3. Характеристики управляющего электрода. Амплитуда и длительность управляющих импульсов ограничены рядом требований. Для определения зон гарантированного отпирания приборов снимаются зависимости тока через управляющий электрод от прямого напряжения управления (входные характеристики ) для приборов с максимальным и минимальным входным сопротивлением R_Gm , R_Gmin.

Рис.44. Характеристики управляющего электрода.

Процесс отпирания тиристора тем успешнее, чем шире импульс или выше его амплитуда. При этом, однако, не должна быть превышена мощность в управляющем p - n переходе. Минимальные значения напряжения U_GT и тока I_GT цепи управления ограничены значениями U_GTmin и I _GЕmin при которых возможно неоткрытие части тиристоров серии. Длительность управляющего импульса (10 – 50 мкс)  t_G4 < t_G3 < t_G2 < t_G1.

4. Характеризующие параметры перегрузочной способности. Для оценки возможности воздействия аварийных токов на полупроводниковый прибор без последующего воздействия напряжения используется значение ударного тока при открытом состоянии. Он должен быть больше расчетного значения ударного тока при коротком замыкании нагрузки. Изготовитель приводит зависимость максимально допустимой амплитуды ударного тока аварийной перегрузки I_TSm от ее длительности в интервале от 10 до 200 мс. При выборе защиты необходимо, чтобы характеристики защиты проходили ниже характеристик вентилей. Перегрузки допускаются ограниченное число раз.

4. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии. При включении тиристора процесс распространения проводящей зоны начинается вблизи управляющего перехода и идет со скоростью 30 - 100 м/с. Поэтому каждый прибор характеризуется критической скоростью нарастания тока в открытом состоянии. Предприятия - изготовители устанавливают гарантированное значение di_T/dt.

6. Максимальная и минимальная температура перехода. Электрические параметры полупроводниковых приборов зависят от температурного режима. Превышение определенного предела приводит к снижению класса прибора, росту токов утечки и времени включения, снижению помехоустойчивости и т.д. Заданы два значения предельных температур. Максимально допустимая температура - это температура, которая не должна быть превышена в длительных режимах эксплуатации. Минимально допустимая температура определяет предел, ниже которого не допускается не только работа, но и хранение прибора. Минимальная температура не должна быть ниже (- 50 - 60^о С). Максимальная температура зависит от конструкции.

7. Характеризующие параметры тиристоров в состоянии высокой проводимости. Основным параметром, характеризующим состояние высокой проводимости, является импульсное напряжение в открытом состоянии. Этот параметр измеряется при нормальной температуре и токе 3,14 I_ATVm . Отрезок, отсекаемый линией аппроксимации на оси абсцисс, численно равен пороговому напряжению U_T(TO) , а котангенс угла, под которым эта линия пересекает ось абсцисс, есть дифференциальное сопротивление r_T .

П

Рис.45.

ороговое напряжение и дифференциальное сопротивление позволяют рассчитать среднюю мощность потерь, значение которых определяет нагрев структуры тиристора при заданном среднем токе. Пороговое напряжение мало зависит от конструктивных особенностей прибора и составляет около 1 В, а дифференциальное сопротивление

прямо пропорционально толщине кремниевой структуры и обратно пропорционально ее площади. С ростом температуры U_T(TO) уменьшается, а r_T растет.

8. Обратный ток и ток в закрытом состоянии I_RRm и I_DRm. При приложении к прибору обратного напряжения или напряжения в закрытом состоянии при отсутствии управляющего сигнала, через прибор протекает ток, значение которого зависит от дефектов структуры в объеме и на поверхности , а также ток, обусловленный рекомбинацией носителей и искусственной шунтировкой , используемой как метод улучшения отдельных параметров прибора. При большом напряжении этот ток может возрасти до значений, при которых мощность, выделяемая на отдельных участках структуры прибора, может привести к перегреву , способному разрушить тиристор. Обратный ток и ток в закрытом состоянии являются одними из основных параметров-критериев годности тиристора. В процессе эксплуатации эти параметры контролируются, за счет чего можно выявлять ненадежные тиристоры.

а) б)

Рис. 46. Характеристика процесса включения (а) и выключения (б) тиристора

Рис.47. К определению термина «ток включения»: I_G1 < I_G2 < I_G3 – отпирающий ток управления; I_н – ток удержания

9. Токи удержания и включения I_H и I_L . Если тиристор находится в открытом состоянии и через него протекает постоянный ток при отсутствии управляющего сигнала, то при плавном снижении этого тока наступает момент, когда тиристор переходит в закрытое состояние. Такое минимальное значение называется током удержания I_H . Ток удержания возрастает с ростом температуры, поэтому в справочниках приводится его значение для всего диапазона рабочих температур.

При включении тиристора управляющим сигналом определенной амплитуды и длительности тиристор включится только тогда, когда ток в открытом состоянии превысит определенное значение, называемое током включения I_L . Ток включения зависит от амплитуды и ширины управляющего импульса: чем они больше, тем ток включения ближе к току удержания. При коротких импульсах (менее 50 мкс) и амплитуде, близкой к отпирающему значению тока, значение тока включения может быть в несколько раз больше тока удержания.

10. Временные характеристики процессов включения и отключения. Время включения состоит из времени задержки и времени нарастания тока:

t_gt = t_gd+t_gr (Рис.46). Время задержки зависит в основном от амплитуды тока управления и длительности его фронта. Время нарастания зависит от амплитуды тока в открытом состоянии и увеличивается с ее возрастанием. Время включения для тиристоров одного и того же типа не одинаково. В справочниках дается максимальное значение этого параметра.

Чтобы уменьшить перегрузку тиристоров в преобразователе, вызванную разбросом времени включения, необходимо использовать отпирающие импульсы с коротким фронтом и большой амплитудой (скорость нарастания тока управления не менее 1 А/мкс, амплитуда - не менее 1 А).

Для ряда преобразовательных схем имеет значение время выключения тиристора t_q (Рис.46,б). Оно зависит от величины тока в открытом состоянии, скорости его спада, амплитуды и скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, температуры перехода.

Имеет значение и время восстановления t_rr. При переводе тиристора в непроводящее состояние под действием обратного напряжения в течение определенного времени обратный ток возрастает до значений, превышающих статическое, и при этом тиристор не способен воспринимать обратное напряжение.

Время восстановления определяет частотные свойства тиристора.

11. Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии. При приложении к тиристору напряжения в закрытом состоянии при большой скорости его нарастания через тиристор протекает емкостной ток, определяемый емкостью центрального перехода. Этот процесс сопровождается инжекцией неосновных носителей крайними переходами, отчего создаются предпосылки для включения тиристора. Поэтому критическое значение du_D /dt нормировано.

12. Тепловые параметры. Тепловые потери, возникающие при прохождении тока через тиристор, выделяются в основном в небольшом объеме полупроводниковой структуры. Далее тепловой поток проходит через ряд слоев различных материалов. При этом каждый слой оказывает свое тепловое сопротивление, вследствие чего создаются перепады температур. В справочниках приводится переходное тепловое сопротивление переход-корпус и переход-среда, которое позволяет рассчитать температуру перехода при определенных параметрах охладителя.

13. Ударная мощность обратных потерь. Лавинные приборы при эксплуатации могут выдерживать значительные перегрузки по току в обратном направлении. Основной характеристикой при этом является мощность обратных потерь P_RSM. В справочниках дана зависимость этой мощности от длительности импульса обратного напряжения и частоты следования импульсов.