Способы включения тиристора

Тиристоры могут быть включены в открытое состояние следующими способами:

· включение по аноду путем превышения напряжения включения (динисторы, диаки);

· посредством быстро нарастающего анодного напряжения – включение эффектом ;

· включение тиристоров и триаков с помощью тока управления – включение управляющим током;

· посредством облучения светом или другим излучением, генерирующим электроны и дырки в полупроводнике (фототиристоры, оптотиристоры);

· включение МДП-тиристоров подачей потенциала на изолированный затвор, обеспечивающий ток управления анодной транзисторной секции;

· включение тиристоров путем нагрева структуры.

Переключение по аноду наступает при повышении приложенного к аноду в прямом направлении напряжения (часто вместе с ) до значений, при которых прибор переходит в проводящее состояние (рисунок 8.16,а).

При малых значениях переключение осуществляется за счет увеличения плотности тока анода, вызванного либо лавинным размножением носителей в центральном переходе, либо токовым или инжекционным пробоем (смыкание базы ОПЗ). Длительность воздействующего импульса должна превышать время включения тиристора.

a) б) в) г)

Рисунок 8.16 - ВАХ и нагрузочная прямая при включении по аноду (а); цепи отпирания диодных тиристоров: (б) – с разделительным диодом; (в) – с разделительным конденсатором; (г) – с импульсным трансформатором

При больших значениях требуемая амплитуда сигнала уменьшается, так как через структуру тиристора протекает емкостный ток перезаряда емкости центрального р-n перехода, который является током основных носителей заряда в n- и р-базах, что эквивалентно внутреннему току управления (рисунок 8.17,а). В результате действия этого тока напряжение включения становится меньше Е, и тиристор переходит во включенное состояние (рисунок 8.17,б).

а) б)

Рисунок 8.17 - Емкостный ток в структуре тиристора (а); изменение

ВАХ при разных значениях (б)

Емкостной ток управления определяется емкостью центрального перехода и скоростью нарастания анодного напряжения, которая зависит от амплитуды и длительности фронта управляющего импульса

Эффект в управляемых тиристорах и симисторах (триаках) ухудшает их эксплуатационные характеристики, и в первую очередь, быстродействие, так как для предотвращения ложного срабатывания требуется ограничивать скорость нарастания анодного напряжения на закрытом тиристоре, а также при выключении из открытого состояния в закрытое, что увеличивает результирующее время выключения t_выкл. Вместе с тем, включение по цепи анода является единственно возможным способом включения диодных тиристоров (динисторов) при импульсном запуске. Большое практическое распространение импульсное включении по аноду нашло в устройствах формирования мощных коротких импульсов с разрядом накопительного конденсатора или в схемах модуляторов с разрядом длинной распределенной LC- линии, где требуются большие скорости нарастания анодного тока, не обеспечиваемые при включении тиристора по управляющему электроду из-задвумерных эффектов расширения первоначальной области включения.

Оптически включаемые тиристоры являются весьма перспективными приборами для высоковольтных схем, где необходима высоковольтная изоляция цепей управления и для применения в условиях больших электрических помех в цепи управления.

В процессе оптического включения в структуре тиристора генерируются электронно-дырочные пары, возбуждаемые квантами излучения. Электронно-дырочные пары, которые генерируются в запирающем слое центрального перехода, разделяются полем практически мгновенно, за время пролета 10 с. Благодаря этому, спустя малое время, задержки в обеих базовых областях возникает дополнительный ток основных носителей заряда I_ф1, играющий роль внутреннего управляющего тока. Носители, генерируемые в р-базе, а также в n-базе на расстоянии меньше диффузионной длины L_p, доходят посредством диффузии до ОПЗ центрального перехода и разделяются его полем, создавая дополнительный ток управления I_ф2 (рисунок 8.18,а). Эта компонента фототока более инерционна и будет отставать от I_ф1 на время пролета р-базы и время жизни неравновесных носителей в n-базе (пролет диффузионной длины). Появление внутреннего управляющего тока по двум базам приводит к уменьшению напряжения включения фототиристора (рисунок 8.18,б).

Спектральная характеристика фототока для кремниевых фототиристоров находится в диапазоне длин волн 0,3 ≤ λ ≤ 1,14 мкм. Длинноволновый край определяется шириной запрещенной зоны кремния, а коротковолновый – глубиной поглощения излучения. В качестве источников излучения для кремниевых тиристоров хорошо подходят светоизлучающие диоды (СИД) на основе арсенида галлия (GaAs, AIGaAs), а также инжекционные лазеры на основе двойных гетероструктур.

Фототиристоры могут включаться под действием слабых световых сигналов (порядка 0,2 мВт). Время их включения существенно уменьшается по мере увеличения интенсивности света.

а) б)

Рисунок 8.18 - Структура фототиристора (а); ВАХ фототиристора

при различных величинах светового потока

Включение по управляющему электроду наиболее широко используется в тиристорных ключах.

Приложение сигнала к управляющему электроду тиристора не вызывает немедленного протекания тока через прибор, поскольку должно пройти определенное время (время включения) между приложением управляющего сигнала и наступлением полной проводимости тиристора.

Принято считать, что время включения состоит из трех следующих отдельных составляющих: во-первых, время задержки, проходящее между моментом приложения управляющего сигнала и моментом, когда появляется небольшой анодный ток, который можно измерить на электродах тиристора; во вторых, время нарастания анодного тока (более точно для тиристоров оно определяется как время, за которое напряжение упадет до 10% своего первоначального значения); в-третьих, время распространения, за которое анодное напряжение восстанавливается до своего стационарного значения, и тиристор становится полностью проводящим (рисунок 8.19).

В связи с трехмерным характером точное моделирование процесса включения возможно только численными методами. Когда тиристор переключается в проводящее состояние, вначале включается только очень малая область эмиттера вблизи управляющего электрода. Затем эта первоначальная включенная область быстро распространяется по прибору до тех пор, пока весь эмиттер не становится проводящим. Очевидно, что если требуется проводить большой ток, сразу после подачи управляющего сигнала, то произойдет сильный локальный разогрев, пока не произойдет быстрое распространение проводящей области.

Локализация процесса включения и влияние внешней цепи усложняют расчеты и позволяют проводить анализ только приближенным методом.

В течение этапа задержки включения переход П3 смещается управляющим током приблизительно от напряжения 0,5В до 0,7В и инжектирует электроны, которые движутся от n-эмиттера к переходу П2 (рисунок 8.7,а). Когда первые электроны достигнут П₂, их присутствие в области объемного заряда на стороне р-базы вызывает сжатие перехода, в то время как электроны в области объемного заряда на стороне n-базы вызывают его расширение по направлению к переходу П1 (динамический заряд нейтрализует ионы).

Рисунок 8.19 - Характеристики включения тиристора

Если область объемного заряда достигает слоя П1, то в p-n-p транзисторе произойдет смыкание, вызывая резкое увеличение тока.

Для высоковольтных тиристоров базовые области широкие и поэтому время задержки, как и следует ожидать, является достаточно большим, особенно в случае их применения в высоковольтных преобразователях, когда они включаются при низких напряжениях. Время задержки включения, наоборот, уменьшается, когда включение осуществляется при высоком напряжении. Это происходит потому, что ширина области пространственного заряда увеличивается и уменьшается эффективная ширина базовой области, что приводит к уменьшению эффективного времени пролета базы.

В первом приближении время задержки характеризуется двумя этапами: зарядом емкости С3 управляющего p-n перехода и временем пролета (дрейфа-диффузии) широкой базы

. (8.19)

Этап нарастания тока может рассматриваться как период времени, в течение которого имеет место нарастание избыточной плотности носителей в тиристоре. Время нарастания определяется пролетом носителей n- и р-базы. Для анализа этого времени используется зарядовый метод и не учитывается рекомбинация носителей в связи с малым значением времени нарастания.

Результат анализа дает экспоненциальный рост анодного тока и выражение для времени нарастания в ключе с активной нагрузкой:

, (8.20)

где – время пролета р-базы; – время пролета n-базы.

При выводе (8.20) предполагалось, что время нарастания является полностью независимым параметром. На практике внешняя цепь накладывает свои ограничения на нарастание тока и по этой причине время нарастания обычно определяется как время, в течение которого напряжение уменьшается от максимального значения до 0,1 этого значения при увеличении тока.

Если в цепи имеется индуктивная нагрузка, то она посредством индукции будет сдерживать нарастание анодного тока. Различие в форме сигнала напряжения и тока между активной и индуктивной нагрузками показано на рисунке 8.20. В случае резистивной нагрузки ток и напряжение спадают и нарастают синхронно. Это происходит потому, что цепь определяется законом Ома, а в конце этапа включения почти все напряжение, которое было на тиристоре, падает на сопротивлении нагрузки.

Рисунок 8.20 - Включение тиристора при активной (а) и индуктивной (б) нагрузках

В конце этапа времени нарастания тока тиристор находится в проводящем состоянии. Если его ток превышает ток удержания, то прибор продолжает находиться в проводящем состоянии, даже когда прекращается ток управления. Однако в данный момент ток протекает только в области первоначального включения тиристора, примыкающей к управляющему электроду (рисунок 8.21). Оставшаяся часть катода становится проводящей за счет распространения плазмы. Время, в течение которого включенное состояние распространяется по всей площади катода, называется временем распространения включенного состояния.

В тиристоре время распространения значительно больше времени нарастания, и рассмотрение его представляет значительный интерес, поскольку оно влияет на динамические свойства прибора. В течение этого времени падение напряжения на приборе много больше, чем при полностью включенном тиристоре. В зависимости от размеров прибора время распространения может достигать сотни микросекунд.

Рисунок 8.21 - Распространение включенного состояния:

К – катод; А – анод; УЭ – управляющий электрод;

1 – направление распространения плазмы;

2 – проводящий шнур

Для уменьшения времени распространения включенного состояния используют полосковую топологию катода или регенеративный электрод, обеспечивающий большой ток управления от анодного источника питания и соответственно большую площадь области первоначального включения.

Наряду с диффузионно-дрейфовым механизмом включения тиристора возможен более быстрый механизм нарастания тока анода, обусловленный генерацией плазмы в ОПЗ, аналогичный механизму работы лавинно-пролетного диода в режиме с «захваченной плазмой». Время включения в этом случае составляет доли наносекунды, и это явление можно использовать для создания сверхбыстродействующих высоковольтных тиристоров.

При импульсном включении тиристора цепь управления должна обеспечивать помехоустойчивость, заданное быстродействие и надежность (допустимая мощность сигнала управления) работы ключа.

Прежде всего, цепь управления должна формировать импульс тока или напряжения, который надежно отпирает тиристор. Форма импульсов управления и их длительность зависят от типа тиристоров, так и от вида нагрузки, и могут быть самыми разнообразными. Параметры импульса управления в значительной степени определяются электрическими свойствами промежутка управляющий электрод – катод тиристора.

Эти свойства определяются ВАХ катодного p-n перехода, а также сопротивлениями встроенных технологических шунтов. На рисунке 8.22 приведена типичная ВАХ указанного промежутка при анодном токе, равным нулю (кривая 2). Здесь же сравнивается ВАХ p-n перехода (кривая 1). Отклонения реальной ВАХ определяются при малых токах управления сопротивлением шунта, а при относительно больших токах I_y – сопротивлением р-базы. ВАХ управляющего промежутка I_y = f(U_y) называется входной характеристикой тиристора. Прямая и обратные ветви входной характеристики из-за неконтролируемых отклонений в процессе изготовления тиристоров имеют существенный разброс.

Семейство входных характеристик тиристоров данного типа представляют обычно в виде обобщенной диаграммы управления. Построение такой диаграммы производят на основе измерения входных характеристик большой партии тиристоров. По этим измерениям определяют граничные входные характеристики при минимальной и максимальной рабочих температурах. Пример диаграммы управления приведен на рисунке 8.23, а. Линии А и В – граничные входные характеристики тиристоров данного типа. Линия С определяет максимальное допустимое напряжение на управляющем электроде, линия D – максимально допустимую мощность рассеяния на управляющем электроде.

Каждый тиристор отпирается в определенной точке своей входной характеристики.

Задача цепи управления – обеспечить отпирающий ток управления I_y при соответствующем напряжении U_y – решается, если линия нагрузки цепи управления проходит через рабочую область диаграммы управления (область 1 на рисунке 8.23, а). По диаграмме управления определяется также статическая помехоустойчивость тиристора. Для этого возможно воспользоваться рисунком 8.23, б, на котором в крупном масштабе изображена нерабочая область управления тиристора (область низкой помехоустойчивости), заштрихованная на рисунке 8.23, а. В этой области можно определить отпирающий ток управления I_отп, достаточный для включения всех тиристоров данного типа, и не отпирающее напряжение управления U_у.нот, которое еще не отпирает тиристор при различных температурах.

Рисунок 8.22 - ВАХ управляющий электрод–катод

В большинстве случаев тиристор управляется прямоугольным импульсом определенной длительности. Поэтому в диаграммах управления обычно приводятся линии максимально допустимой мощности рассеяния для различной длительности импульса управления.

а) б)

Рисунок 8.23 - Диаграммы управления тиристора (а) и область

низкой помехоустойчивости (б)

При малой длительности импульса управления (t_y < 20÷50 мкс) амплитуду тока управления необходимо увеличивать по сравнению со статической величиной, определяемой по диаграмме управления. Типичная зависимость минимально необходимой амплитуды импульса управления I_y.min(t_y) приведена на рисунке 8.24, и хорошо описывается выражением

,

где – статический ток спрямления, задаваемый источником постоянного тока (t_y → ∞).

Рисунок 8.24 - Зависимость минимально необходимой амплитуды импульса управления от длительности импульса управления

В ключах с индуктивной нагрузкой длительность управляющих импульсов должна быть больше, чем в ключах с активной нагрузкой, так как постоянная нарастания тока анода в этом случае определяется схемой.

Требования стабильности, взаимозаменяемости и надежности тиристорных схем приводят к необходимости использования режима источника тока формирователя импульсов управления по отношению ко входу тиристора. В этом случае форма и амплитуда тока управления практически не зависят от величины и характера входного сопротивления тиристора.

В отличие от режима источника тока режим источника напряжения на входе тиристора не может обеспечить высокой повторяемости параметров эксплуатации и надежности тиристорной схемы. При этом режиме параметры импульса управления определяются входным сопротивлением тиристора, которое имеет значительный разброс и нестабильность. Поэтому формирователи импульсов управления должны иметь внутреннее сопротивление (R_r) порядка трех входных сопротивлений тиристора.

Для снижения влияние помех по цепи управления целесообразно включение сопротивления шунта и диодов, как это представлено на рисунке 8.25.

Рисунок 8.25 - Цепи отпирания тиристора: а – с кремневым диодом во входной цепи; б – с импульсным трансформатором; в – с разделительным конденсатором

Для запуска мощных тиристоров часто используют формирователи импульсов на основе релаксационных генераторов, выполненных на однопереходных транзисторах (рисунок 8.26), которые обладают высокой помехозащищенностью и температурной стабильностью.

а) б)

Рисунок 8.26 - Принципиальная схема (а) и форма сигнала (б) релаксационного генератора

на ОПТ для управления тиристорами

Конденсатор С1 заряжается от питающего напряжения U1 через резистор R1. По достижению напряжения Uc, напряжения включения ОПТ, последний открывается, конденсатор С1 разряжается, и на сопротивлении R_B1 выделяется выходной импульс U_OB1, который может быть подан на управляющий электрод тиристора непосредственно или с помощью емкостной или трансформаторной связи.

В заключение отметим, что время включения тиристора уменьшается с увеличением амплитуды и уменьшением длительности переднего фронта импульса тока управления. Более высокое напряжение анода в закрытом состоянии обеспечивает меньшее время включения. Увеличение анодного тока приводит к увеличению времени включения.