лекции прохоров

струму управління, більший струму випрямлення. Тиристор відкривається, і робоча точка переходить на вітку г - д. Струм через тиристор і навантаження знаходиться із співвідношення Iа= Iн=(E − Uа)/Rн, де Uа - падіння напруги на тиристорі, визначуване робочою точкою на вітці г - д. Графічно значення струмів і напруг можна визначити, побудувавши лінію, що проходить через точки з координатами (0; E/Rн) и (E; 0) (рис. 5.2 б). Координати точок перетину цієї лінії з вольт-амперною характеристикою визначають струм і напругу на тиристорі в закритому стані.

Тиристори випускаються на діапазон прямих струмів від десятків міліамперів до декількох сотень і тисяч ампер і напруги від десятків вольт до декількох кіловольтів.

Основні параметри тиристора:

–максимальний прямий струм;

–максимальна напруга;

–зворотний струм тиристора;

–напруга і струм кола управління;

–час включення;

–час виключення.

5.3Перехідні процеси в тиристорах

5.3.1 Перехідний процес включення тиристора струмом управління

Включення тиристора здійснюється зміною анодної напруги або подачею управляючого імпульсу на управляючий електрод. Для тріодних тиристорів другий спосіб є більш поширеним. Час включення tвкл складається з двох складових: часу затримки tзд і часу наростання tнр. Час затримки відлічується від початку управляючого імпульсу до моменту, при якому анодний струм рівний 0,1Iа ном (Iа ном - кінцеве значення анодного струму, визначуване повним опором кола) (рис. 5.6). Час наростання tнр – час наростання струму від 0,1Iа ном до 0,9Iа ном. Часовий інтервал від 0,9Iа ном до Iа ном позначається tк.

111

Uу
				t
Uа,P,Iа	0,9Iа ном		Р
				Iа
Uа
0,1Iа ном				Iа ном
tзт	tнр	tк		t
	tвкл
		Рисунок 5.6

При подачі позитивного імпульсу на управляючий електрод виникає інжекція електронів з катодної області n2 в базу р2 (перша стадія процесу), причому в початковий момент ця інжекція відбувається в безпосередній близькості від контакту управляючого електроду. Пройшовши базу р2, електрони втягуються електричним полем переходу П2 і викидаються в n1-базу, надаючи їй негативний заряд і тим самим збільшуючи інжекцію дірок з області р1. Дірки з р1 перетинають широку n1-базу, перехід П2, р2-базу; досягаючи переходу П3, вони збільшуватимуть інжекцію електронів (друга стадія процесу). Це продовжується до тих пір, поки струм Iа не досягне значення струму утримання, після чого прилад включається. Оскільки цей процес є циклічно наростаючим, то інжекція носіїв збільшується з обох емітерів, що, кінець кінцем, приводить до утворення шнура високопровідної електронно-дірчастої плазми в невеликій області катода поблизу управляючого електроду (третя стадія процесу). В цих умовах провідність цієї області наростає, якщо навіть вимкнути імпульс

112

струму в колі УЕ. Час затримки визначається явищами, що відбуваються протягом перших двох стадій розглянутих процесів.

Порівняння ролі транзисторів Т1 и Т2 на етапі затримки при включенні показує, що основну роль тут грає транзистор n2-p2-n1, тобто tзт = tзт1 + tзт2 ≈ tзт2. При цьому час затримки зменшується із збільшенням струму Iу і зменшенням часу дифузії (часу прольоту електронів через базу р2) в більш чутливому транзисторі Т2 при подачі на його базу імпульсу струму управління.

Час наростання tнр визначається як час, відлічуваний від моменту, коли Iа досягає значення 0,1Iа ном до моменту, коли подальше зростання Iа починає визначатися процесами формування провідного каналу і початком його розповсюдження.

Час включення tвкл дорівнює tзт + tнр і після закінчення цього періоду починає проводити тільки невелика область поблизу управляючого контакту, так звана область початкового включення. Малі розміри цієї області приводять до її розігрівання через велику густину енергії, що називають ефектом локалізації енергії при включенні (або ефект dIa /dt). Далі область включення розповсюджується з відносно малою швидкістю за всією площею структури. Для потужних тиристорів ця область розповсюджується уздовж катода за рахунок дифузії і бічних електричних полів і за час tк вся поверхня емітера n2 буде інжектувати електрони.

В результаті перехідний процес включення тиристорів в таких режимах характеризується зміною рівня інжекції (густина анодного струму) і температури структури в широких межах. Так, поблизу центрального переходу p-n-p-n структури густина струму в області початкового включення може змінюватися в діапазоні 1-100 А/см2, а температура від початкового рівня може зростати до температури, близької до температури плавлення кремнію ~1000 0С.

Миттєво розсіювана потужність на одиницю провідної площі в провідний частині тиристора визначається по формулі

P≈ Ua·f (t,r2) · dIa /dt,

113

де f (t,r2) − функція часу t і радіусу управляючого електроду r.
Отже для запобігання перегріву необхідно не перевищувати граничну
швидкість наростання струму dIa /dt. Граничне допустиме значення dIa /dt зале-
жить від розміру спочатку включеної області і швидкості розповсюдження об-
ласті високої провідності уздовж катода.
5.3.2 Перехідний процес включення тиристора по аноду (ефект du /dt)
Розглянемо		деякі	особливості		включення	Uа
тиристора по анодному колу шляхом подачі імпу-
льсу напруги. Напруга Uа (рис. 5.7), що швидко
змінюється в часі, викликає струм зміщення Iсм=
С· Uа / tф, який протікає через бар'єрну ємність С							Uа
переходу П2. Струм зміщення Iсм виконує роль
управляючого струму Iу,			що подається в базу р2 .			tф	t
Як показує аналіз, умова включення в цьому ви-
падку буде такою ж, як і при подачі струму управ-						Рисунок 5.7
ління. При великих Iсм коефіцієнти α1 и α2, залежні
від струму, досягають значень, достатніх для включення тиристора. Дане явище
в літературі називають ефектом dU/dt. За рахунок цього ефекту в динамічному
режимі напруга включення може бути суттєво зменшена. Зменшення напруги
включення залежить як від амплітуди імпульсу анодної напруги, так і від
швидкості його наростання. Із зменшенням тривалості tф стрибка анодної на-
пруги значення амплітуди напруги, необхідної для включення тиристора									Uа
вкл, також зменшується аж до деякого мінімального значення							Uа вкл min. Змен-
шення напруги включення				Uа вкл із зменшенням тривалості tф пояснюється
зростанням ємності струму зміщення Iсм. Існування						Uа вкл min пояснюється не-
обхідністю накопичення в базах тиристора деякого мінімального для включен-
ня p-n-p-n структури заряду. Для потужних швидкодійних тиристорів								Uа вкл
min складає 500-1000 В. Отже, при експлуатації тиристорів у відносно низьково-
льтних	схемах	часто можна обійтися без захисту від ефекту dU/dt.
					114

В реальних режимах експлуатації стрибок напруги на тиристорі з'являється звичайно на фоні початкової постійної напруги - позитивній або негативній

(рис. 5.8).

Uа	tф			Uа
		Uа		Uа
	Uа(0)		t	t
				tф
				Uа(0)
	а)			б)
				Рисунок 5.8

При прямому зміщенні на тиристорі [ Uа(0) > 0] ємнісний струм зменшується унаслідок зниження значення ємності центрального переходу С. Типова залежність ємності центрального переходу С від напруги на переході представ-

лена на рис. 5.9. Представлена залежність показує, що при Uа(0)=150÷200 В

можна приймати С ≈ 0,2С0. Слід також відзначити, що процес формування ємності переходу інерційний і залежить від тривалості фронту tф, причому ємність С зменшується із зменшенням tф . Таким чином, за наявності початкового зміщення Uа(0) стійкість тиристора до ефекту dU/dt збільшується.

	С/С0		Е
	1,0
		0,8	Rн
		0,6
		0,4	R
			VS
		0,2	Сш
200 100	0	100	200 Uа(0)
Рисунок 5.9			Рисунок 5.10

115

У разі, коли при заданих параметрах тиристорів і режимі експлуатації можливе включення по аноду, для захисту від включення вводять зовнішні елементи. Частіше за все використовують шунтуючі конденсатори Сш (рис. 5.10): напруга на конденсаторі за законом комутації стрибком змінюватися не може і швидкість наростання напруги на тиристорі знижується. Постійна часу кола заряду шунтуючого конденсатора вибирається з умови

	(R + R н ) С ш	≥		0 , 632		E
				dU	a
					dt	кр

Резистор R встановлюється для обмеження струму розряду конденсатора при включенні тиристора імпульсом управління.

5.3.3 Перехідний процес виключення тиристора

Виключення тиристора можна здійснити шляхом подачі замикаючого імпульсу напруги Uа на анод (рис. 5.11 а), розривом кола управляючого електроду або подачею на нього зворотної напруги. Найшвидше виключення досягається при одночасній зміні напряму анодного і базового струмів.

Uак

Uвкл

а)

Uа зв

Uвикл t

Iпрям

									Iзв2
б)			t	0	t1 t2	t3		t4
					Iзв1						t
	Iобр				tзт1			tзт2		tсп2
						tсп1

Рисунок 5.11

116

Розглянемо випадок, коли міняється напрям тільки анодної напруги. Переходи П1 і П3 з прямовключених при зміні полярності анодної напруги стають зворотньовключеними. Після зміни полярності анодної напруги струм протягом часу t0-t1 (рис.5.11 б), нехтуючи падінням напруги на включеному тиристорі, можна виразити: Iобр= Uа обр /Rн, де Uа обр - амплітуда імпульсу зворотної анодної напруги; Rн - опір навантаження. Протягом деякого часу, званого часом затримки, значення Iобр не змінюється (рис. 5.11 б). Це обумовлено тим, що в р2-базе під час перебування тиристора у включеному стані накопичений великий заряд надлишкових носіїв, який і визначає струм, що протыкаэ через прилад. Протягом часу tзт1 відбувається розсмоктування накопиченого заряду, значення якого пропорційне прямому струму, причому градієнт нерівноважних носіїв у переходів П1 і П3 весь цей час не міняється, хоча число надлишкових носіїв в р2- і n1- базах зменшується під впливом позитивного потенціалу, прикладеного до катода (явища аналогічні процесам в транзисторному ключі)

В кінці інтервалу tзт1 надлишкові (нерівноважні) електрони в основному виведені з р2-бази. У перехода П3 формується область об'ємного заряду, що розширяється під дією зворотного зміщення. В n1-базе, у міру того як негативний анод захоплює дірки, їх число поповнюється за рахунок інжекції через П2 з р2-базы. Відповідно до розподілу домішки інжекція дірок з р2-базы переважає над інжекцією електронів з n1-базы.

Процес виключення починається з відновлення замикаючих властивостей переходу П3. Час затримки залежить від ефективного часу життя нерівноважних носіїв в р2-базе, значень прямого і зворотного струмів, що протікають через тиристор відповідно перед моментом подачі замикаючого імпульсу і відразу після подачі Uа обр.

Протягом часу tсп1 відбувається повне відновлення області об'ємного заряду в переході П3, при цьому зовнішня прикладена напруга може бути або менше, або більше напруги пробою Uпроб переходу П3. Другий випадок з практичної точки зору більш важливий. Коли падіння напруги на П3 досягає Uпроб, час-

тина	структури тиристора (області р2-n1-p1), що залишилася, є ще
	117

добре провідною і вносить малий внесок в повне падіння напруги на приладі.

Тому протягом другої частини інтервалу затримки tзт2 струм	Iобр2 = (Uа обр-
Uпроб)/Rн залишається практично постійним. Центральний перехід П2 продо-
вжує инжектировать дірки в n1-базу до тих пір, поки перехід П2	залишатиметь-

ся прямозміщеним. Через безперервну інжекцію дірок n1-база відновлюється набагато більш повільно, ніж р2-база, тому tзд2 зменшуватиметься із збільшенням зворотного струму і зменшенням ефективного часу життя неосновних нерівноважних носіїв в n1-базе.

Час життя нерівноважних носіїв в n1-базе і час прольоту носіїв через неї значною мірою визначають і остаточний період процесу виключення tсп2.

При подачі зворотної напруги на управляючий електрод одночасно з перемиканням анодної напруги на зворотне з р2-базы виводяться дірки (основні носії) і час виключення зменшується за рахунок скорочення першої фази процесу виключення tзт1.

5.4 Різновиди тиристорів 5.4.1 Симетричні тиристори

Симетричний тиристор (симистор) – тиристор, який при подачі сигналу на його управляючий електрод включається як в прямому, так і у зворотному напрямі.

Один з варіантів симисторної структури зображений на рисунку 5.12.

	УЕ
ЕЗ	n4
	p2
	n2
	n1
	p2
	p1
	n1
	p1
	n3
	n3
	Е
	Рисунок 5.12

118

При подачі позитивної напруги на електроди Е і УЕ по відношенню до загального електроду ЕЗ (рис. 5.13 а) працює p1-n1-p2-n2 структура симистора, яка включається якзвичайний тиристор. ВАХ такої структури симистора, управління проводиться позитивним імпульсом.

При збереженні полярності напруги на силових електродах Е і ЕЗ і подачі на УЕ негативної напруги працює p1-n1-p2-n2-n4 структура симистора, яка є структурою з електродом УЕ, що інжектує (рис. 5.13 б). В результаті спочатку відмикається управляюча p1-n1-p2-n4 структура, потім в мить, коли падіння напруги від анодного струму управляючої структури на резисторі кола управління Rу перевищить Еу, включається основна p1-n1-p2-n2 структура. ВАХ такої структури також розташована в першому квадранті.

Rу

Еу

ЕЗ

УЕ

ЕЗ

УЕ

n2	n2	n4
p2	p2

n1

n1

p1

p1

n3

n3

а)

Е

б)

Е

ЕЗ

УЕ

ЕЗ

УЕ

p2

n4

П1

n2

n1

p2

П2

p1

n1

П3

p1

n3

n3

в)

Е

г)

Е

Рисунок 5.13

119

При подачі негативної напруги на електроди Е і УЕ по відношенню до загального електроду ЕЗ працює p2-n1-p1-n3-n4 структура, яка представляє структуру з віддаленим УЕ (рис. 5.13 в). В цьому випадку заздалегідь відмикається управляючий n4-p2-n1 транзистор, перехід колектора якого П2 знаходиться під невеликою прямою напругою. Потім струмом колектора n4-p2-n1 транзистора відкривається основна p2-n1-p1-n3 структура, причому управління проводиться по n1-базе ВАХ структури в третьому квадранті при негативному струмі управління.

При зміні полярності напруги на УЕ (рис. 5.13 г), працюватиме n2-p2-n1-p1- n3 структура з омічним УЕ. Перехід П1 зміщується в прямому напрямі і инжектує електрони в шар р2, частина яких, що відповідає коефіцієнту передачі струму n2-p2-n1 транзистора, досягає n1-базы і, таким чином, вимушує перехід П2 до інжекції дірок у напрямі n1. Далі p2-n1-p1-n3 структура включається як звичайний тиристор.

Таким чином, для розглянутих випадків включення симистора ВАХ симетрична щодо початку координат і розташовується в першому і третьому квадрантах (рис. 5.14); управління забезпечується струмом будь-якої полярності. На практиці використовуються також симисторы, які управляються однополярним струмом (позитивним або негативним). Структура таких симисторов дещо відрізняється від розглянутих, проте, їх ВАХ аналогічні приведеним на рисунку

5.14.

Перехідний процес включення симистора характеризується тим, що послідовно (одна за одною) включаються дві структури - спочатку управляюча (допоміжна), а вже потім струмом управляючої структури основна структура тиристора. Реально перехідний процес включення симисторов містить етапи регенерації, встановлення коефіцієнтів посилення і розповсюдження області включення, аналогічні подібним етапам у звичайних тиристорів. Час включення симисторов рівно приблизно 20 мкс, тобто таке ж, як і у звичайних тиристорів. Часто симистор вважають аналогом стрічно-паралельного з'єднання двох звичайних тиристорів (рис. 5.15).

120