1.Тризистор -это полупроводниковый прибор, который состоит из трих или более электронно-дырочных переходов и может находиться в одном из двух состояний: высокой проводимости (тиристор открыт) и низкой проводимости (тиристор закрыт)

1 2.1 Классификация тиристоров

Существует несколько разновидностей тиристоров, отличающиеся способом управления. Их условные графические обозначения приведены на рисунке 12.1..

Диодный тиристор (динистор) (рисунок 12.1,а) имеет два вывода: анод и катод. Включение и выключение динистора производится по анодной цепи. Для включения динистора необходимо, чтобы анодное напряжение было больше некоторого напряжения переключения ( ), а выключение происходит при анодном напряжении меньшем или равным нулю ( ).

Р исунок 12.1 - Условные графические обозначения тиристоров.а – диодный тиристор, b –триодный тиристор однооперационный,с - триодный тиристор двухоперационный.

Триодный тиристор (тринистор) (рисунок 12.1,b и c) отличается от динистора наличием третьего вывода. Этот вывод называется управляющим электродом. Существует две разновидности тиристоров: однооперационные тиристоры (рисунок 12.1,b) и двухоперационные тиристоры (рисунок 12.1,c).

Однооперационные тринисторы открываются по управляющему электроду. Условия открытия тиристора: анодное напряжение положительное ( ) и наличие короткого импульса, тока втекающего в управляющий электрод ( ). Закрывается однооперационный тиристор по аноду; выключение происходит при анодном напряжении меньшем или равным нулю ( ).

Двухоперационные тиристоры открываются и закрываются по управляющему электроду. Условия открытия тиристора: анодное напряжение положительное ( ) и наличие короткого импульса тока втекающего в управляющий электрод ( ). Закрывается двухоперационный тиристор по управляющему электроду; выключение происходит коротким импульсом тока, вытекающего из управляющего электрода ( ). Выключение происходит также при анодном напряжении меньшем или равным нулю ( ).

Фототиристор. В отличие от обычного тиристора, фототиристор имеет в корпусе окно для прохождения света. Тиристор можно открывать, воздействуя импульсом светового потока. Существуют фотодинисторы (рисунок 12.2,а) и фототринисторы (рисунок 12.1,b), в последнем случае открытие тиристора возможно подачей электрического сигнала на управляющий электрод.

Рисунок 12.2 - Условно графические обозначения.

а – фотодинистор, b – фототринистор, с – симметричный динистор (диак).

d – Симметричный тринистор (триак), е – тиристорная оптопара с фототиристором, f – тиристорная оптопара с фотосимистором

Симистор. Симметричные тиристоры способны пропускать электрический ток в двух направлениях, предназначены для работы в цепях переменного тока. Симистор можно представить в виде двух обычных тиристоров, включенных встречно-параллельно. Симисторы могут быть диодными (рисунок 12.2,с) и триодными (рисунок 12.2,d). В зарубежной литературе они называются соответственно диак и триак.

Тиристорная оптопара. Тиристорная оптопара состоит из излучателя, обычно это светодиод или светодинистор и приемника - это фототиристор (рисунок 12.2,е) или фотосимистор (рисунок 12.2,f). Управление посредством светового потока позволяет осуществить гальваническую развязку низковольтной цепи управления с высоковольтной коммутируемой цепью.

2 . Статические параметры тиристоров.Рассмотрим работу тиристора в качестве ключа, который коммутирует последовательно включенную активную нагрузку (рисунок 12.8,а). Рисунок 12.8 - Схема включения тиристора (а); к определению статических состояний тиристора (b) Для определения состояний тиристора построим нагрузочную прямую, отображающую свойства активной нагрузки. Нагрузочная прямая строится по двум точкам в соответствии с уравнением (12.8)при положительных и отрицательных значениях Е. Точки пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой дают возможные статические состояния тиристора (рисунок 12.8, b).Точка А – тиристор закрыт, анодный ток очень мал, практически все напряжение приложено к тиристору в прямом направлении , может достигать нескольких тысяч вольт.Точка В – соответствует открытому состоянию тиристора; анодное напряжение мало (обычно не более 2…2.5 В), а анодный ток может достигать нескольких тысяч ампер.Точка С - находится на участке с отрицательным динамическим сопротивлением и является неустойчивой.Точка D соответствует обратному включению тиристора (Е<0).Статические параметры тиристора описывают статические состояния, которые определены по вольт-амперной характеристике.Состояние высокой проводимости (точка В) аналогичню открытому состоянию диода, вольт-амперная характеристика имеет вид, показанный на рис. 9.

Р исунок 12.9 - Вольт-амперная характеристика тиристора в состоянии высокой проводимостиХарактеристика тиристора, как и диода аппроксимируется прямой

(12.9)Аппроксимирующая прямая проводится через точки , , . -максимально допустимое среднее значение тока, длительное время протекающего через тиристор в открытом состоянии. Основной нормирующий показатель, численное значение которого входит в обозначение тиристора. определяется расчетным путем из предельной температуры кристалла при протекании через прибор однополупериодного тока частотой 50 Гц.Принятая аппроксимация позволяет легко определить импульсное падение напряжения на тиристоре при протекании импульсного тока, близкого к предельному , амплитудное значение которого при однополупериодной форме равно . Значение является классификационным параметром, по которому тиристоры подразделяются на тиристоры с малыми и большими прямыми напряжениями.Состояния низкой проводимости точки А и D (рисунок 12.10). В этих точках тиристор должен выдерживать подводимые напряжения. Он не должен самопроизвольно переходить в состояние высокой проводимости или пробоя. Рисунок 12.10 - Вольт-амперная характеристика тиристора в состоянии низкой проводимостиВ состоянии низкой проводимости нормируются следующие величины: - максимально допустимое рабочее импульсное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в непроводящем состоянии, исключая повторяющиеся и неповторяющиеся импульсные напряжения. Напряжение определяется питающей сетью без учета переходных процессов в цепях. - максимально допустимое повторяющееся импульсное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в непроводящем состоянии, исключая неповторяющиеся импульсные напряжения. Эти напряжения возникают за счет переходных процессов, возникающих при коммутации токов. Они появляются с частотой цепи. - максимально допустимое неповторяющееся импульсное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в непроводящем состоянии. Их появление хаотично, интервал между ними может быть до нескольких секунд. Они появляются в результате кратковременных перенапряжений в питающей сети, вызванных, например, грозовыми разрядами, аварийными отключениями и другими внештатными ситуациями. На временной диаграмме, показанной на рисунке 12.11, видны различия в определении максимально допустимых импульсных напряжений.Перечисленные параметры связаны неравенствами:для прямой ветви закрытого тиристора ,для обратной ветви тиристора .Обычно для тиристоров , .Рисунок 12.11 - К определению максимально допустимых импульсных напряженийНапряжение определяет класс тиристора по напряжению. Выделено 50 классов. =Кл*100. Например, если тиристор 7 класса по напряжению, то =700 В.

3 . Динамические параметры тиристоровДинамические параметры определяют процесс переключения тиристора из закрытого состояния (точка А) в открытое состояние (точка В) под воздействием импульса тока управления. Обратный переход из открытого состояния в закрытое происходит у однооперационных тиристоров за счет изменения полярности приложенного напряжения, а двухоперационных тиристорах - за счет импульса управляющего тока противоположного направления.Рассмотрим временные диаграммы процесса переключения тиристора (рисунок 12.12).Рисунок 12.12 - Временные диаграммы переключения тиристораПроцесс включения тиристора. Тиристор не может мгновенно открыться, для перехода из состояния низкой проводимости в состояние высокой проводимости требуется время , которое складывается из времени задержки и времени нарастания . На интервале времени задержки накапливаются заряды на переходе П2, как только заряд превысит некоторое критическое значении происходит смена полярности на переходе и тиристор начинает открываться. Продолжительность определяет минимально необходимую длительность импульса управления . Длительность времени определяется как интервал, на котором ток увеличивается от 0.1 А до 0.9А, где А – установившееся значение анодного тока тиристора в состоянии высокой проводимости, которое зависит от сопротивления коммутируемой нагрузки. В интервале ток нарастает по экспоненте. Это объясняется тем, что ток неравномерно распределяется по сечению кристалла. Первоначально проводят области близкие к управляющему электроду, а затем ток распространяется на другие области . Мгновенная плотность тока зависит от скорости распространения проводящей области и от скорости нарастания анодного тока, которая часто определяется параметрами коммутируемой цепи. Повышенная плотность тока на начальной стадии процесса включения вызывает локальный нагрев. Этот процесс усложняется неоднородностью кристалла, что приводит к повышению температуры в некоторых точках, к снижению сопротивления и к стягиванию тока в «шнуры». Плотность тока в «шнурах» очень высокая, что вызывает прожег кристалла и выход тиристора из строя. Для исключения этого эффекта скорость нарастания тока ограничивается. Она не должна превышать критического значения скорости нарастания анодного тока . Эта величина является динамическим параметром тиристора. После завершения процесса включения тиристор переходит в статический режим.

Процесс выключения тиристора. Для выключения тиристора (однооперационного) необходимо поменять полярность источника питания, т.е. приложить обратное напряжение. На временной диаграмме (рисунок 12.12) в момент времени подается обратное напряжение и ток начинает убывать. В точке ток становится равным нулю, но тиристор в интервале пропускает значительный обратный ток, который вызван рассасыванием зарядов на переходах П1 и П3. Этот интервал называется временем восстановления обратного сопротивления. Затем ток убывает по экспоненте, на этом интервале происходит рекомбинация носителей заряда в переходе П2. Если подать положительное напряжение на анод тиристора раньше, чем пройдет интервал , тиристор самопроизвольно откроется. Интервал времени от момента прохождения анодного тока через ноль до момента, когда можно подавать положительное напряжение на анод тиристора называется временем восстановления запирающих свойств.Время восстановления запирающих свойств тиристора является весьма важным динамическим параметром, оно определяет возможное быстродействие силовых преобразователей.Скорость нарастания прямого напряжения, определяемая внешней цепью, не должна превышать критического значения . При превышении этого значения может произойти самопроизвольное включение тиристора без подачи управляющего сигнала. Такое включение является недопустимым и может привести к аварийной ситуации. Эффект объясняется тем, что за счет емкостей p-n переходов возникает ток

, при ≥ возникающий ток воспринимаемый областью p₂ как ток управления, приводит к самопроизвольному открытию тиристора.

4. Силовые биполярные транзисторыСовременные силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния. Базовая ячейка транзистора n-p-n –типа показана на рисунке 13.1.

Р исунок 13.1 - Структура базовой ячейки силового биполярного транзистораЭмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером, а также равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную . Слабо легированная область делает коллекторный p-n переход широким и сдвинутым в область коллектора, что повышает допустимое напряжение на коллекторе. Скосы на кристалле позволяют уменьшить утечки по поверхности кристалла и снизить напряженность электрического поля.Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа, на рисунке 13.2 показана схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b).

П роводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный - под прямым напряжением. Часто для более полного и быстрого закрытия транзистора напряжение база – эмиттер также делают отрицательным. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно , , . В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения , а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения , , которое обычно составляет несколько милливольт. Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения . Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения , которая может быть от 1,1 до 3.Переключение транзистора, переход из точки 1 в точку 2 происходит достаточно быстро, т.е. в активной области нагрузочной прямой транзистор находится минимальное время. Мощность, выделяемая на транзисторе в точках 1 и 2, практически равна нулю, затраты энергии происходят только в моменты переключения. Процесс переключения не происходит мгновенно, на переключение затрачивается некоторое время, которое определяет быстродействие ключа, т.е. его способность работать на высоких частотах.

.Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие переключение транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Временная диаграмма переключения транзистора показана на рисунке 13.3.

н а интервале 0-1 на базу подано отрицательное напряжение, транзистор закрыт, режим работы соответствует точке 1 нагрузочной прямой. В момент времени 1 на вход подается передний фронт входного напряжения амплитудой , начинается рост тока коллектора, который происходит по закону ,

где - предельная частота транзистора при схеме включения с общим эмиттером..За интервал времени 1-2 формируется передний фронт импульса тока, в точке 2 ток достигает значение , (13.3)из этого выражения найдем . Из последнего выражения видно, что длительность процесса включения уменьшается с увеличением степени насыщения . Ток , достигнув значения , остается неизменным. После открытия транзистора продолжается процесс накопления заряда в базовой области. Этот процесс можно представить как рост тока (показан пунктирной линией) до некоторого значения тока , которое называют кажущимся, т.е. соответствующим накопленному заряду.В момент времени 3 подается запирающее напряжение , но ток не изменяется, транзистор остается открытым еще некоторое время. Это объясняется наличием избыточного заряда неосновных носителей в базовой области, за счет которого транзистор удерживается в открытом состоянии. Отрицательное входное напряжение приводит к смене направления базового тока, однако, заряд мгновенно измениться не может, он уменьшается по экспоненте до момента времени 4. В этой точке он соответствует току . Интервал времени 3-4 называют временем рассасывания неосновных носителей в базовой области , его можно определить из уравнени . С момента времени 4 начинается процесс выключения транзистора , длительность которого зависит от тока разряда . Увеличение быстродействия ключа на биполярном транзисторе связано с противоречием. Для уменьшения включения необходимо увеличивать степень насыщения S, однако это приведет к увеличению времени рассасывания неосновных носителей

.Эта проблема решается путем формирования входного сигнала специальной формы (рисунок 13.4).

Р исунок 13.4 - Форма входного сигналаНа интервале времени создается ток базы , что приводит к быстрому открытию транзистора, затем ток уменьшают до значения .Транзистор остается открытым, но накопление избыточного заряда не происходит, таким образом, время рассасывания сводится к нулю. Достаточно часто, импульсы такой формы используются и для управления тиристорами. Небольшой ток в цепи управляющего электрода поддерживают тиристор в открытом состоянии, исключая сбои в работе силовой схемы.Преимущества ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое остаточное напряжение на открытом ключе, напряжение насыщения составляет доли вольт и не зависит от тока.

2. Мощность, рассеиваемая на открытом ключе, при , практически линейно зависит от тока насыщения .

Недостатки ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое быстродействие из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в области базы.

2. Значительная мощность затрачивается на управление транзисторным ключом. Коэффициент передачи по току мощного транзистора не превышает десяти ( ), что требует значительного тока в управляющей цепи.

Область применения ограничена диапазоном средних мощностей ( 600 В , =50 А 20 кГц), используется в преобразователях DC/DC и AC/DC.

5 . Силовые ключи на МОП транзисторахМОП транзисторы, т.е. имеющие структуру метал – оксид – полупроводник, управляются электрическим полем, получили название MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). В качестве силового ключа используются полевые транзисторы с индуцированным вертикальным каналом (рисунок 13.5,а).Рисунок 13.5 - Структура полевого транзистора с индуцированным вертикальным каналом (а) и его эквивалентная схема (b)Он представляет собой р –канальный транзистор, n области стока и истока которого выполняются с повышенной концентрацией, что позволяет снизить сопротивление открытого транзистора. При изготовлении полевого транзистора с вертикальным каналом получается дополнительный транзистор , который не находит практического применения. Эквивалентная схема содержит биполярный транзистор, резистор равный объемному сопротивлению р области. Благодаря этому сопротивлению биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу ключа. Значение резистора в эквивалентной схеме равно сопротивлению канала.Рассмотрим схему ключа с учетом влияния междуэлектродных емкостей и определим состояния ключа по выходной характеристике транзистора (рисунок 13.6,b).

Р Нагрузкой схемы управления является входная емкость полевого транзистора, она может достигать порядка нескольких тысяч пикофарад. При открывании транзистора необходимо его входную емкость зарядить до порогового напряжения, а при закрывании транзистора емкость следует разрядить. Это приводит к увеличению длительности процессов коммутации. Поэтому ключом следует управлять от источника с очень малым выходным сопротивлением, положим его равным нулю. Тогда общая емкость, подключенная к стоку, равна , (13.6)где - емкость нагрузки, - емкость монтажа, - емкость сток – исток, - емкость сток – затвор.Транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях. Транзистор закрыт, точка 1 на выходных характеристиках , , , сопротивление канала , общая емкость заряжена до значения .Транзистор открыт, точка 2 на выходных характеристиках , , сопротивление канала , причем . Эквивалентная схема процесса коммутации и временная диаграмма показаны на рисунке 13.7.Рисунок 13.7 - Эквивалентная схема (а)

и временная диаграмма работы (b) ключаПри подаче положительного напряжения на вход ключа индуцируется канал, и емкость начинает разряжаться постоянным током через открытый канал, напряжение на стоке изменяется по закону , т.к. - сonst, то , если , тогда .Время включения ключа определяется как В процессе переключения линия 1-3 на выходных характеристиках (рисунок 13.6,b) перемещается параллельно до тех пор, пока точка 3 не окажется в точке 2.Рассмотрим процесс закрытия транзистора. Транзистор закрывается, если , ток , практически мгновенно ток становится равным нулю, ключ S размыкается, начинается процесс заряда емкости чересопротивление по закону , где . (13.10)За время выключения принимается интервал времени, за который напряжение на стоке достигнет 90% от установившегося значения , (13.11) . Сравнивая выражения времени включения и времени выключения, учитывая, что , можно установить, что .Область применения ограничена коммутируемым током 50 А, блокирующим напряжением 500 В, частота коммутации100 кГц. Используется в импульсных преобразователях DC/DC, AC/DC, DC/AC, например, в источниках бесперебойного питания. Преимущества силовых ключей на МОП транзисторах: