Устройство, принцип действия, ВАХ и основные параметры тиристоров(симисторов).

а) Полупроводниковая структура тиристора.

Тиристорами называются полупроводниковые приборы, основу которых составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме: открыт – закрыт (управляемый диод). К ним, в соответствии с классификацией, относятся: динисторы, тринисторы и симисторы. На рис. 1. приведены их обозначения на электрических схемах.

а) б) в)

Рис.1. Обозначение тиристоров на электрических схемах:

а) симистор; б) динистор; в) тиристор

Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p – n – p – n. Здесь как и у других тиристоров, крайние p – n переходы называются эммитерными, а средний p – n – переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n – областью, называется катодом, а с внешней p – областью – анодом.

Поскольку применение динисторов в электронных силовых ключах ограничено, подробно в лекциях по курсу они не рассматриваются.

Схематически тиристор (тринистор) показан на рис. 2.

Рис.2. Структура тиристора.

Тринистор (в дальнейшем тиристор) является управляемым прибором. Он содержит управляющий электрод УЭ, подключаемый к полупроводнику p – типа. На рис. 3. изображена модель тиристора в виде схемы с двумя транзисторами с различным типом проводимости. База и коллектор транзистора VT1 соединяются соответственно с коллектором и базой транзистора VT2. В результате база каждого транзистора питается коллекторным током другого транзистора. В схеме образуется цепь положительной обратной связи.

Рис. 3. Электрическая схема транзисторного аналога тиристора.

Если ток I_у через управляющий электрод отсутствует, то оба транзистора закрыты и ток через нагрузку не течет – тиристор закрыт.

Если подать ток управления I_у больше определенного уровня, то в схеме за счет положительной обратной связи начинается лавинообразный процесс и оба транзистора открываются – тиристор открывается и остается в этом стабильном состоянии, даже если ток I_у больше не подавать. Таким образом, тиристором можно легко управлять как постоянным током, так и импульсным. Для того, чтобы тиристор перевести в непроводящее состояние необходимо снизить ток через него до такого уровня, при котором обратная связь не может больше удерживать схему в стабильно открытом состоянии. Этот ток называется током удержания.

б) Вольтамперная характеристика (ВАХ) тиристора.

Рис. 4. Типовая вольтамперная характеристика (ВАХ) тиристора.

Рассмотрим типовую вольтамперную характеристику (ВАХ) тиристора, изображенную на рис. 4.

По горизонтальной оси отложено напряжение между анодом и катодом, а по вертикальной – протекающий через прибор ток.

Изменяемым параметром семейства характеристик является значение тока I_у в цепи управления электрода.

На ВАХ тиристора можно выделить четыре характерных участка, отмеченных на рис.4. латинскими буквами АВСДЕ. Дополнительно на рис.4 показаны нагрузочные прямые I, II, III для различных напряжений сети.

Участок АВ соответствует обратной характеристике, когда к аноду приложено отрицательное напряжение относительно катода. При разомкнутой цепи управления или отсутствии в ней тока (I_у=0) обратная характеристика тиристора аналогична обратной ВАХ полупроводникового диода. В рабочем диапазоне напряжений U_зс от 0 до максимального рабочего, называемого обратным повторяющимся напряжением U_{повт, .обр max.}, через прибор протекает очень малый ток, порядка долей миллиампера, ток (рабочая точка 1).

Прямая ветвь тиристора изображена в правом квадрате системы координат. Она соответствует такой полярности напряжения, когда к аноду приложено положительное относительно катода напряжение.

На отрезке ВС вплоть до напряжения переключения U_{повт.пр. max} тиристор с нулевым управляющим током закрыт и ток через него не превышает 5-15 мА (рабочая точка 2). Переход в открытое состояние (в рабочую точку 3 на участке ДЕ) возможен двумя способами. Первый способ – повышение напряжения на тиристоре, так что рабочая точка доходит до точки С. В этом случае рабочая точка скачкообразно переходит на участок ДС. Такой режим включения тиристора применяется редко. Традиционным способом открытия тиристора является подача управляющего тока. В результате кривая ВСД на ВАХ спрямляется и рабочая точка также попадает на участок ДЕ, соответствующий открытому состоянию тиристора.

Семейство вольтамперных характеристик при разных управляющих токах показывает, что при различных напряжениях на тиристоре требуется подача разных токов управления для включения тиристора: малые управляющие токи при больших напряжениях и большие токи при малых напряжениях. При управляющем токе, равном I_уз, прямая ветвь ВАХ тиристора также совпадает с ВАХ полупроводникового диода. Отметим, что участок ДС характеризует неустойчивое состояние тиристора. Эта область носит название участка с отрицательным эклектическим сопротивлением. Из него тиристор всегда переходит в открытое состояние с низким электрическим сопротивлением (на участке ДЕ).

Рабочий участок ДЕ соответствует открытому состоянию симистора и характеризуется малым падением напряжения на приборе U_ос при большом токе I_ос. Эта область характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового диода. Напряжение U_ос в зависимости от свойств полупроводниковой структуры равно 1-2 В и слабо зависит от величины протекающего тока I_ос. На переходе тиристора выделяется мощность, которую можно оценить величиной (1…2) I_ос. После падения тока, проходящего через тиристор, ниже значения тока удержания I_уд, тиристор закрывается. Собственно, в этом и заключается самое полезное свойство тиристора (симистора) и других приборов с отрицательным обратным сопротивлением: переключенные в состояние с малым сопротивлением, они остаются в этом состоянии сколь угодно долго, даже после снятия управляющего сигнала, вплоть до падения тока нагрузки ниже тока удержания. Это позволяет управлять симисторами и тиристорами короткими импульсами управляющего напряжения.

в) Основные параметры тиристоров.

1. Напряжение включения (U_вкл.) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние.

2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (U_{повт, .обр.max}) – это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров U_вкл. = U_{повт, .обр.max} .

3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток (I_max).

4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (U_пр. = 0,5…1,0 В).

5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности I_обр.max

6. Ток удержания - это анодный ток, при котором тиристор закрывается I_уд.

7. Время отключения – это время, в течение которого закрывается тиристор t_откл.

8. Предельная скорость нарастания анодного тока . Если анодный ток будет быстро нарастать, то p – n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный переход и тепловой пробой.

9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения . Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно отключиться от электромагнитной помехи.

10. Управляющий ток отпирания . I_{у отп.}. – наименьшее значение тока управления, необходимого для переключения прибора.

11. Управляющее напряжение отпирания U_у – напряжение управления(напряжение между катодом и управляющим электродом) требующееся для получения отпирающего тока управления.

г) Особенности конструкции и основные производители тиристоров (симисторов).

Основным производителем силовых тиристоров (симисторов) в СНГ являются ООО «Элемент – Преобразователь» (Украина) и ОАО «Электровыпрямитель» (Россия).

В качестве тиристоров для электронных силовых ключей чаще всего применяются дискретные приборы с диаметром кремниевых структур от 5 до 101 мм в корпусах штыревой и таблеточной конструкции. Предприятиями производится широкий ряд низкочастотных (для применения в промышленной сети) тиристоров на токи от 10 до 6300 А на рабочие напряжения от 300 до 6500 В.

Фото 1. Тиристор штыревой.

Фото 2. Тиристор таблеточный.

Параллельно осваивается выпуск эффективных систем охлаждения тиристоров (воздушных, жидкостных). На рис. 5. в качестве примера применения воздушного охлаждения показан силовой блок выполненный на тиристорах по схеме однофазного ключа переменного тока на ток 3500 А.

Рис.5. (Фото 3). Тиристорный силовой блок.

На основе тех же конструкций разработаны и поставляются на рынок быстродействующие приборы, предназначенные для работы в частотно- импульсных режимах с временем восстановления запирающих свойств (t_выкл.) от 8 до 50 мкс. Рабочее напряжение этих приборов от 1000 до 2400 В.

Выпускаемые в СНГ тиристоры по электрическим параметрам, габаритно-присоединительным размерам соответствуют зарубежным аналогам – выпускаемым фирмами АВВ, Eupek, Semikron, West code, Vishay и др.

На рынок силовых электронных приборов этими производителями поставляется большое семейство диодно-тиристорных модулей с изолированным основанием на токи от 40 до 1250 А и с рабочим напряжением до 4400 В.

Фото 4. Тиристорные модули.

Фото 5. Тиристорный модуль – реклама.

Конструкция модулей позволяет реализовать следующие варианты силовых схем с использование диодов, тиристоров, оптотиристоров, симисторов:

- единичный прибор;

- два прибора, включенных параллельно;

- два прибора, включенных последовательно (полумост) или встречно (однофазный мост со средней точкой);

- два тиристора, включенных встречно – параллельно (ключи переменного тока);

- асимметричный тиристор с обратным диодом.

3. Последовательное и параллельное соединение тиристоров (симисторов).

а) Общие вопросы: Последовательное и параллельное соединение тиристоров применяется, как правило, в электронных ключах большой мощности на средние и высокие напряжения. Иногда такие соединения используются также для повышения надежности силовых ключей, в которых выход из строя отдельного прибора не должен вызывать нарушения работы всего устройства. Несовпадение прямых и обратных ветвей ВАХ приборов, соединенных в группу последовательно или параллельно, приводит к тому, что отдельные приборы будут перегружаться по току (при параллельном соединении) или по напряжению (при последовательном соединении).

На рис. 6 представлены прямые и обратные ветви ВАХ двух случайных тиристоров.

Рис. 6. Несогласованные ВАХ тиристоров.

Когда оба тиристора закрыты, через них при последовательном соединении протекают одинаковые обратные токи I_обр. и прямые токи утечки I_ут.. Однако поскольку тиристоры имеют разные характеристики, то общее напряжение, приложенное приложенное к ним, делится неравномерно. На тиристор с более пологой характеристикой (кривая 1) падает большее напряжение (U_обр.1 > U_обр.2; U >U ). В случае параллельного соединения тиристоров ток, протекающий через тиристор, имеющий прямую ветвь ВАХ 3 будет значительно больше тока, протекающего через прибор, имеющий ВАХ 4 при прямом напряжении на обоих тиристорах, равном DU. В переходных режимах работы тиристора при последовательном соединении приборов к тиристору с меньшим временем восстановления запирающей способности будет прикладываться напряжение всей цепи, вследствие чего может происходить его самовольное включение или пробой структуры. При параллельном соединении возникает другая опасность. Тиристор, имеющий наименьшее время включения, будет воспринимать на себя весь ток главной цепи, что также может вызвать выход прибора из строя.

Таким образом, необходимо применять меры к выравниванию напряжений между последовательно включенными тиристорами и токов между параллельно включенными приборами, чтобы исключить их повреждение, произвольное открывание и недоиспользование по мощности.

б) Последовательное соединение тиристоров.

Выравнивание напряжений в статическом режиме путем подбора приборов, имеющих одинаковые ВАХ и температурные коэффициенты изменения напряжения, на практике очень сложно. Поэтому чаще напряжение на приборах, например тиристорах VS1 и VS2 (рис.7), выравнивают при помощи шунтирующих резисторов R_ш.

Рис. 7. Электрическая схема последовательного соединения тиристоров.

В переходных режимах распределение напряжений определяется временными характеристиками: временем включения прибора и временем восстановления запирающей способности в обратном направлении. При коммутации к тиристору с большим временем включения может быть приложено полное прямое напряжение цепи, а к тиристору с малым временем выключения – полное обратное напряжение цепи и перенапряжения, значение и длительность которых определяется скоростью спада тока, параметрами контура коммутации и разбросом параметров самих тиристоров. Выравнивание напряжений в переходных режимах осуществляется путем подбора тиристоров с разбросом времени включения в пределах ± 2 мкс. и времени восстановления запирающей способности в пределах ± 5 мкс. или включением параллельно каждому тиристору конденсатора С (рис.7).

Параллельно включенные конденсаторы эффективно выравнивая напряжение на приборах в переходных режимах, вместе с тем увеличивают ток анода на интервале отпирания. Для ограничения этого тока до допустимого значения последовательно с конденсаторами должны быть включены демпфирующие резисторы (рис.7) R_д. Эти резисторы также подавляют высокочастотные колебания, которые могут возникнуть из-за взаимодействия между индуктивностями анодной цепи и шунтирующей емкости. Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения, что может вызвать самопроизвольное включение тиристора, параллельно демпфирующим резисторам включаются диоды, которые должны иметь как можно меньшее время восстановления запирающих свойств в обратном направлении (рис.7). Выравнивание напряжения может быть осуществлено также с помощью лавинных диодов или стабилитронов, включенных параллельно тиристорам.

в) Параллельное соединение тиристоров.

При параллельном включении двух и более полупроводниковых приборов необходимо исключить их недопустимый перегрев при одновременном максимальном использовании по току. Для этого существует несколько способов: а) выравнивание токов в параллельных ветвях путем подбора приборов с согласованными прямыми ветвями ВАХ (с разбросом DU_н в пределах ± 0,02 В) и обеспечения одинакового омического и индуктивного сопротивлений параллельных цепей; б) выравнивание токов в параллельных ветвях включением последовательно с приборами резисторов; в) выравнивание токов в параллельных ветвях при помощи индуктивных делителей.

Выравнивание токов включением последовательно с приборами резисторов применяется редко из-за появления дополнительных потерь. В электронных ключах большой мощности, применяется индуктивное деление тока I по параллельным ветвям при помощи индуктивных делителей L₁- L_n (рис.8). Принцип действия делителей основан на том, что с помощью катушек индуктивности в каждую параллельную ветвь вводится добавочная выравнивающая ЭДС е_к, пропорциональная скорости изменения тока данной ветви i

е_к = L (1)

Рис. 8 Электрическая схема параллельного включения тиристоров

с индуктивным делителем.

4. Способы управления тиристорами.

а) Способы отпирания тиристоров. Отпирание тиристоров осуществляется обычно подачей сигнала управления на управляющий электрод. Сигнал на управляющий электрод можно подать в виде импульса положительной полярности, а также в виде постоянного тока положительного направления и переменного синусоидального тока. Независимо от формы сигнала минимальное время его действия должно быть достаточно для того, чтобы ток анода превысил значение тока удержания I_уд. Иначе после снятия управляющего сигнала тиристор вернется в состояние низкой проводимости.

Импульсное управление включением тиристора применяют в тех случаях, когда необходимо регулировать фазу (момент) отпирания тиристора. При этом чем выше требуемая точность регулирования, тем круче должен быть передний фронт управляющего импульса. При изменении угла отпирания a меняются средние значения выпрямленного напряжения и тока (рис. 9).

Рис. 9. Регулирование напряжения с помощью тиристора.

В схемах управления нагрузкой со сравнительно небольшой индуктивностью длительность импульса может быть ограничена несколькими микросекундами. По мере увеличения нагрузки, ограничивающей нарастание тока, длительность отпирающих импульсов t_и должна увеличиваться.

Отпирание тиристора подачей постоянного тока на управляющий электрод (электрические схемы) показано на рис. 10.

а) б)

Рис. 10. Электрические схемы, реализующие способы отпирания тиристоров.

После отпирания тиристора VS ключ К можно разомкнуть. Управляющий сигнал можно подавать и от постороннего источника постоянного тока. Однако в схеме тока (рис. 10б) при отрицательном анодном напряжении при наличии положительного сигнала в цепи управления увеличивается обратный ток утечки тиристора, выделяются дополнительные потери, приводящие к перегреву полупроводниковой структуры. Поэтому необходимо принимать меры по уменьшению напряжения на управляющем электроде при отрицательном напряжении на аноде. Чтобы уменьшить нагрев тиристоров, вместо постоянного напряжения на управляющий электрод подают пакет узких импульсов с частотой, значительно превосходящей частоту сети питания. В этом случае характер нагрузки (определяемый величиной cos j) не оказывает влияния на режим работы схемы управления. Для надежного отпирания тиристора достаточно иметь t_и = 2t_вкл.

В схемах переменного тока цепь управления может получать питание синусоидальным током от общего источника напряжения (рис. 10 б). В этом случае последовательно с ограничивающим ток управления резистором R включается диод VD. Достоинство этого способа в том, что в момент включения тиристора цепь управления шунтируется малым сопротивлением открытой p-n-p-n структуры. Недостатком способа в простейших схемах является невозможность включения тиристора при активной нагрузке на малых углах отпирания. Из-за этого угол проводимости уменьшается и выходное напряжение становится несинусоидальным.

Чтобы повысить точность регулирования, применяют схемы, в которых имеются формирователи импульсов на транзисторах и маломощных тиристорах, позволяющие получить импульсы с крутым фронтом.

В качестве контактов, коммутирующих цепи управления тиристоров, применяют чаще всего контакты промежуточных электромагнитных реле и герконов.

б) Способы запирания тиристоров. Для запирания тиристоров необходимо снизить ток анода до значения меньшего, чем ток включения. Этого можно достичь, разрывая цепь анода, шунтируя прибор вспомогательным контактом или прикладывая отрицательное напряжение. Наибольшее применение получил последний способ. В цепях переменного тока запирание тиристора происходит в момент прохождения тока нагрузки через нулевое значение при снятом сигнале управления (естественная коммутация). В цепях постоянного тока для этой цели используют конденсатор, включаемый параллельно коммутируемому тиристору. Заряженный конденсатор представляет собой источник напряжения с очень малым внутренним сопротивлением, благодаря которому при разрядке возникает ток, достаточный для быстрого запирания коммутируемого прибора.

Электрическая схема запирания тиристора VS1 с помощью конденсатора С и вспомогательного тиристора VS2 представлена на рис. 11.

Рис. 11. Электрическая схема параллельно – емкостного запирания тиристора.

При подаче отпирающего импульса на основной тиристор VS1 последний отпирается и подключает нагрузку к источнику питания. Одновременно конденсатор С заряжается через резистор R и тиристор VS1 с полярностью, указанной на рисунке. Для запирания прибора VS1 подается отпирающий импульс на тиристор VS2, после отпирания которого конденсатор разряжается по цепи C – VS2 – VS1 и создает на аноде тиристора VS1 отрицательный потенциал. Конденсатор С перезаряжается по цепи R_н- C - VS2. Емкость конденсатора должна быть достаточно большой для того, чтобы обратное напряжение, приложенное к цепи анода, поддерживалось в течение времени, необходимого для запирания прибора.

5. Встречно – параллельное включение тиристоров.

Достоинства тиристоров: малые габариты, простота конструкции, отсутствие подвижных частей, неограниченное число допустимых включений и др. – делают весьма перспективным использование их в качестве бесконтактных аппаратов. Особенно целесообразно применять их в качестве коммутационных аппаратов переменного тока. Включение в однофазную цепь показано на рис. 12.

Рис. 12. Электрическая схема однофазного бесконтактного

коммутационного аппарата.

Два тиристора включаются встречно – параллельно, один проводит первую половину периода, а другой вторую. Включение тиристоров, а значит и цепи производится подачей импульсов управления, синхронных с анодным напряжением и поступающих непрерывно в течение всего времени, пока цепь включена. При снятии управляющих импульсов тиристоры запираются при переходе переменного тока через нуль. Следовательно, при частоте 50 Гц максимальное время запаздывания отключения составляет 0,01 с., т.е. полпериода, тогда как полное время отключения, например, масляных выключателей равно приблизительно 0,2 с. Сокращение времени отключения в 20 раз очень выгодно, так как резко уменьшается степень вредных последствий аварийных коротких замыканий.

Вместо двух встречно – параллельных тиристоров можно включить один симметричный тиристор. В этом случае упростится схема управления.

Рассмотренная схема может быть использована также для плавной регулировки тока нагрузки. Для этого нужно смещать импульс тока управления i_у по фазе относительно переменного анодного напряжения. На рис. 13 показано, что увеличение этого фазового сдвига от до изменяет длительность полуволны напряжения U_н и тока i_н на нагрузке, уменьшая тем самым их среднее значение за половину периода.

Рис. 13. Графики напряжения и тока тиристорного регулятора переменного тока при активной нагрузке.

Форма тока, протекающего через нагрузку, зависит как от момента включения тиристоров (рис. 13, для активной нагрузки), так и от характера самой нагрузки. На рис. 14 приведены формы токов в нагрузке, имеющей активно – индуктивный характер при различных углах включения тиристоров a.

Рис. 14. Форма токов в активно – индуктивной нагрузке при различных углах включения тиристоров.

Из рис. 14. следует, что ток в нагрузке, имеющий активно – индуктивный характер продолжает протекать в прежнем направлении (второй полупериод), несмотря на то, что напряжение на тиристоре уже поменяло свой знак. Это явление объясняется действием ЭДС самоиндукции, которая стремиться сохранить ток в нагрузке неизменным. В данном случае запаса электромагнитной энергии накопленной в нагрузке достаточно, чтобы сохранить ток непрерывным вплоть до момента времени открытия встречно – включенного тиристора. При угле направления =90°> = ток в нагрузке становится прерывистым, т.е. существуют промежутки времени, где он равен нулю. Это приводит к появлению в цепи коммутирующей нагрузки высших гармонических, отрицательно влияющих на электрические показатели электрооборудования.

Длительность сигнала управления должна быть равна или несколько больше собственного времени включения тиристоров, а если импульсы управления синхронизированы с анодным напряжением, т.е. подаются в момент перехода его через ноль, - увеличена на время соответствующее углу нагрузки . Обычно управляющие сигналы тиристоров бесконтактных аппаратов сдвинуты на угол 180 электрических градусов. При этом, как известно, в цепи нагрузки отсутствует постоянная составляющая тока.

Выводы.

1. Несмотря на то, что тиристорные ключи по ряду параметров уступают ключам на основе IGBT – MOSFET – транзисторов существует много областей применения, где использование тиристоров, как минимум более выгодно по экономическим соображениям, а порой и безальтернативно.
2. Возможность последовательного и параллельного соединения тиристоров позволяет создавать мощные и высоковольтные коммутаторы.
3. При угле управления a>j ток в нагрузке тиристорного коммутатора становится прерывистым, что приводит к появлению в цепи включаемого электрооборудования высших гармонических, отрицательно влияющих на его энергетические показатели.