1.2. Силові тиристори

Тиристором називається напівпровідниковий прилад з чотиришаровою структурою, що утворює три взаємодіючих між собою p-n-переходи, на вольт-амперній характеристиці якого є ділянка з від’ємним диференційним опором і який тривалий час може знаходитись в одному із стійких станів: відкритому або закритому. На рис 1.4 наведена структура приладу, його вольт-амперна характеристика та символ позначення на електричних схемах. Такий тиристор має два електроди – анод та катод і називається динистором. За електричними властивостями він подібний до діода, але може залишатися у закритому стані за умови додатного потенціалу на його аноді. Динистор вмикається тільки в тому випадку, коли пряма анодна напруга на ньому досягає певного рівня. Тобто цей прилад може використовуватись як обмежувач напруги. Інколи його використовують в низькочастотних генераторах релаксаційного типу.

Рис. 1.4

Більш досконалим є триністор, або звичайний тиристор. Його англійська назва читається як Silicon controlled rectifier (SCR), тобто кремнієвий керований діод. Він має три електроди, два з яких є звичайними анодом та катодом, а третій – керуючим електродом. Наявність останнього дозволяє вмикати прилад при прямих анодних напругах, що значно нижчі порівняно з Uвмик. ВАХ такого приладу, його структура та символ позначення наведені на рис.1.5.

Рис.1.5

На відміну від динистора, триністор може вмикатись при значно нижчих анодних напругах за рахунок струму Iк в його керуючому електроді (КЕ). Тобто SCR є приладом з односторонньою провідністю, вмикання якого визначаться моментом появи струму в колі керуючого електроду за умови, якщо між анодом та катодом існує позитивна різниця потенціалів. Головним недоліком такої структури є неповна керованість, тобто SCR неможливо вимкнути по колу керуючого електрода. Щоб перемкнути тиристор з відкритого в закритий стан потрібно розірвати його анодне, або силове, коло і зменшити анодний струм до нуля. Той же результат досягається якщо змінити полярність анодної напруги. Така зміна в кінцевому результаті також приводить до зниження анодного струму тиристора та його вимкнення. Саме ця властивість забезпечила триністору назву звичайного, або напівкерованого, тиристора. Він отримав широке застосування в тих перетворювачах, які живляться від промислової мережі де тиристор перемикається природнім шляхом за рахунок періодичної зміни полярності напруги між його анодом та катодом. Це – керовані випрямлячі, регулятори та стабілізатори змінного струму, безіскрові вимикачі та пускові пристрої, а також компенсатори реактивної потужності.

Звичайний тиристор на даний час є найбільш потужним керованим ключем з найвищим коефіцієнтом підсилення струму. Відношення його анодного струму до струму керуючого електрода може перевищувати сто тисяч. Ці особливості забезпечують його пріоритетне використання в перетворювачах великої та надвеликої потужності. Наприклад, звичайний тиристор не має альтернативи в автономних інверторах та випрямлячах високовольтних ліній електропередач великої потужності.

Властивість вмикатись в заданий момент часу забезпечує тиристору регулювальні властивості. Найбільш поширеним є фазоімпульсний спосіб вмикання тиристора, який дозволяє регулювати як постійну складову струму та напруги, так і діюче значення змінних струмів та напруг.

Найбільш простим прикладом такого регулювання є робота найпростішого керованого випрямляча, схема якого наведена на рис. 1.6.

Рис.1.6

Система імпульсно – фазового керування (СІФК) забезпечує генерацію імпульсу струму в керуючому колі тиристора, фазує цей імпульс з позитивним півперіодом анодної напруги та забезпечує регулювання моменту появи цього імпульсу. Момент появи імпульсу струму визначається кутом вмикання α. Миттєві діаграми випрямляча зображені на рис. 1.7.

Рис.1.7

В момент подачі імпульса на керуючий електрод тиристора, останній вмикається і під’єднує вторинну обмотку трансформатора до навантаження. Змінюючи момент вмикання α, можна регулювати площу півперіоду напруги , регулюючи тим самим середнє значення напруги на навантаженні, як це зображено на рис.1.7, в.

Аналітично така залежність визначається з рівняння:

(1.1)

В наведеному виразі ωt=θ, а -діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора .

Тобто середнє значення випрямленої напруги залежить від площі півперіоду напруги яка прикладається до навантаження. В свою чергу, ця площа визначається кутом α, який в даному випадку може змінюватись в межах 0≤ α ≤π.

Як видно з діаграм рис.1.7,в та виразу (1.1), середнє значення випрямленої напруги набуває максимального рівня при α = і стає рівним нулю, коли . Таке регулювання називається дискретним і є найбільш ефективним з точки зору енергозбереження. Пояснюється це тим, що у відкритому та закритому стані втрати на тиристорі мінімальні і у випадку ідеального ключа к.к.д. такої схеми складає майже сто відсотків, якщо не враховувати втрат в трансформаторі.

Розглянутий принцип регулювання є універсальним і закладається в основу роботи практично усіх типів перетворювачів, що використовується як регулятори напруги та струму незалежно від того, живляться вони від промислової мережі чи інших автономних джерел живлення.

Як уже зазначалось, основний недолік звичайного тиристора полягає в його неповній керованості, що обмежує застосування приладу в перетворювачах які живляться від джерел постійної напруги.

В схемах таких перетворювачів необхідно вмикати додаткові кола для примусового вимикання тиристорів. Потужність цих кіл, які називаються вузлами примусової комутації, співмірна з потужністю навантаження і їхня наявність суттєво знижує техніко-економічні показники перетворювального пристрою та обмежує його енергетичний та частотний діапазони.

На початку 70-х років минулого сторіччя був запропонований повністю керований, або двоопераційний, тиристор англійська назва якого читається як Gate Turn-of Switch (GTO) , а символ позначення наведено на рис.1.8, а . Цей прилад може вмикатись та вимикатись по колу керуючого електрода, що забезпечило йому можливість використання в перетворювачах різного типу, в тому числі і тих, що живляться від джерела постійної напруги. Фізичні процеси, що протікають в структурі GTO подібні до тих, що мають місце в звичайному тиристорі. Тому двоопераційний тиристор може вимикатись не тільки по колу керуючого електрода, але і як звичайний тиристор, шляхом зменшення його анодного струму. Саме ця обставина забезпечила йому використання в керованих випрямлячах.

В сучасній електроенергетиці, окрім названих, тиристор GTO застосовується в перетворювачах потужністю в сотні кіловат ( в майбутньому до 3 МВт ) для приводу вентиляторів, компресорів, насосів, а також в статичних компенсаторах реактивної потужності та потужних агрегатах безперебійного живлення. До його переваг, окрім повного керування, слід віднести високу перевантажувальну здатність, можливість послідовного вмикання та робочий діапазон частот до 250 Гц при напрузі до 4кВ. Недоліками приладу є значні втрати у ввімкненому стані. Прямий спад напруги на ньому може досягати 4 В.

Робота GTO вимагає застосування складної системи керування зі значними втратами в ній. Наприклад, коефіцієнт підсилення за струмом вимикання тиристора теоретично досягає десяти, а на практиці складає п’ять – шість одиниць. До того ж, вказаний прилад має занижені динамічні властивості, що призводить до зростання втрат енергії при його перемиканні. До динамічних, незалежно від типу тиристора, відносять такі параметри:

1.Швидкість наростання прямого анодного струму , перевищення якого призводить до так званого “голкового” проколу структури та виходу приладу з ладу.

2.Швидкість наростання прямої анодної напруги , перевищення якої призводить до самовільного вмикання тиристора.

3.Час вимкнення tвимкн., або час відновлення запірних властивостей тиристора.

4.Час вмикання tвмик,тобто час, за який структура тиристора перейде з вимкненого в увімкнений стан.

Максимально досягнуті експлуатаційні параметри двохопераційного тиристора на даний час складають 3 кА та 6 кВ в імпульсі зворотної напруги, що повторюється.

Окрім розглянутих, існують симетричні тиристори (Triac), які використовуються в якості безіскрових вимикачів та реле, а також в перетворювачах для пуску та регулювання двигунів змінного струму. Умовне позначення цього приладу наведено на рис. 1.8,б.

Рис.1.8

Cиметричні тиристори, або симістори, мають п’ятишарову напівпровідникову структуру і являють собою два зустрічно-паралельно увімкнутих тиристори, технологічно виконаних в єдиному монокристалі кремнію. Тобто, це прилад з двосторонньою провідністю, який керується так само як і звичайний тиристор, але здатний пропускати струм в обох напрямках.

Головним недоліком симістора є його низькі динамічні параметри та значні втрати у відкритому стані, що стримує його широке використання. На даний час максимально досягнуті експлуатаційні параметри приладу складають 800 А діючого значення струму та 1200 В амплітудного значення напруги, що повторюється.

До найбільш сучасних тиристорів слід віднести ряд розробок останніх десятиріч. З них найбільш перспективними виявились два прилади - електростатичний тиристор (Static Induction Thiristor ) скорочено SITh, та запірний тиристор з МОН – керуванням, або тиристор з інтегрованим керуванням (Isolation Gate Controlled Thiristor), скорочено IGCT. Символ позначення та принципова схема першого з них наведено на рис.1.8,в, а другого –на рис.1.8, г.

За своєю структурою обидва тиристори є інтегральним сполученням біполярних та польових транзисторів в одному напівпровідниковому кристалі.

За електричними властивостями SITh є діодом-тиристором, тобто в нормальному стані він проводить струм і лише для його вимкнення потрібно подати від’ємну, по відношенню до катода, запірну напругу на керуючий електрод, виконаний у вигляді затвора польового транзистора з керуючим

p-n-переходом. До переваг такої структури слід віднести підвищений діапазон робочих температур (більше 200°C), можливість перемикати анодний струм значної густини (в 2÷2,5 рази вищий ніж у гібридного транзистора). Окрім цього, прилад має високу стійкість до перевантажень та покращені динамічні параметри. На шляху протікання анодного струму знаходиться тільки один p-n-перехід, тому прямий спад напруги на SITh не перевищує 2-х Вольт при значній густині цього струму.

Областю застосування таких тиристорів є індукційні печі нагріву та статичні компенсатори реактивної потужності. Широке запровадження статичних індукційних тиристорів стримуються складною технологією їх виготовлення, а отже і значною вартістю, а також із-за необхідності підтримувати від’ємне зміщення в колі керуючого електрода для забезпечення його вимкнутого стану.

Тиристор IGCT є більш досконалим і належить до повністю керованих. В своїй структурі він об’єднує чотиришаровий звичайний тиристор та два МОН-транзистори з каналами p- та n- типу, які виготовляються за інтегральною технологією в єдиному монокристалі кремнію. Силові прилади складаються з багатьох, невеликих за розміром, монокристалічних структур, які називаються сегментами і які з’єднані між собою певним способом.

В нормальному стані тиристор закритий і увімкнути його можна або шляхом підвищення анодної напруги, тобто як звичайний тиристор, або шляхом подачі на затвор МОН-транзистора з каналом n-типу вмикаючої напруги. Для вимкнення тиристора слід зняти вмикаючу напругу або змінити її полярність. Рівень вмикаючої та вимикаючої напруги не перевищує 15 В, що є безумовною перевагою тиристора IGCT. Завдяки незначній потужності в колі керуючого електрода, система керування тиристором (драйвер) монтується всередині корпусу безпосередньо на його структурі, що дозволяє об’єднати сегменти тиристора в єдиний прилад. Наприклад, структура IGCT тиристора, розрахованого на струм 4000 Ампер складається з двох тисяч сегментів, кожен з яких здатен вимикати струм два ампери.

Порівняно з GTO у IGCT значно знижено амплітуду прямого спаду напруги, потужність управління, статичні та динамічні втрати, а також суттєво підвищена швидкодія приладу.

В 1996 році на базі IGCT був виготовлений перетворювач потужністю 100 МВт, який експлуатується і в наш час.

Кваліфікаційні випробування та досвід експлуатації перетворювачів на базі IGCT показав, що для перетворювачів потужністю 3 МВт можна отримати напрацювання на відмову не менше 45 років та інтенсивність потоку відмов не більше 2300 FIT (FIT відповідає одній відмові на мільярд годин).

Очікується, що прилади IGCT стануть головними елементами для використання в області середніх та великих напруг потужністю від 0,5 до 100 МВт. Це досягається завдяки послідовному вмиканню приладів та їх високій надійності при відносно низькій вартості. Тобто у вказаному діапазоні потужностей тиристор IGCТ не має конкурентів. Наприклад,ще в 1997 році фірма АВВ Semiconductors почала серійний випуск IGCT з максимально досягнутими параметрами в 4 кА при амплітуді зворотної напруги, що повторюється в 6 кВ.

Що стосується маркування силових тиристорів, то в світі відсутній єдиний стандарт їхнього позначення. Кожна держава та фірма-виробник має свою систему позначень. В Україні маркування силового тиристора здійснюється за тим же принципом, що і силового діода. Змінюються лише перші літери, що вказують на тип приладу та його властивості, а також може додаватись ряд цифр , що визначають його динамічні параметри.