Способы выключения тиристора

Для того, чтобы тиристор после прямой нагрузки снова восстановил блокирующую способность в прямом направлении, необходимо, чтобы заряд избыточных носителей стал меньше критического Q_кр. Это требует вполне определенного времени, которое носит название время выключения t_выкл.

Время выключения зависит помимо прочих условий от того, каким образом тиристор выключается. Для этого имеются следующие способы:

1) отключение анодного тока путем снижения его значения ниже тока удержания (выключения);

2) коммутация анодного тока путем изменения полярности питающего напряжения;

3) коммутация анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего тока;

4) подача достаточно большого обратного управляющего тока в запираемом тиристоре.

В первом методе вследствие разрыва цепи тока (I_a ≤ I_выкл) избыточные носители заряда из базовых областей не выводятся: они исчезают только за счет рекомбинации. В результате накопленный заряд спадает во времени по экспоненциальному закону. Постоянная времени спада является временем жизни избыточных носителей заряда τ_р в слаболегированной n-базе. Пока накопленный заряд, который при работе в проводящем состоянии превышает критический заряд в 10 -10 , т.е. в е -е раз, спадает до Q_кр , проходит время (7 - 9)τ_р . Время выключения в соответствии с этим соображением равно примерно десятикратному времени жизни носителей заряда в n-базе.

. (8.22)

Равенство (8.22) следует рассматривать как грубое правило для оценки порядка времени выключения.

При втором и третьем методах накопленный заряд в принципе рассасывается быстрее. Это обусловлено тем, что за счет внешнего смещения через тиристор пропускается ток в обратном направлении.

Обратный ток отводит из базовых областей через р-эмиттер дырки через n-эмиттер электроны. Он протекает до тех пор, пока концентрация избыточных носителей заряда возле эмиттерного запирающего слоя не уменьшится, и эмиттер не примет на себя запирающее напряжение. При этом слой объемного заряда расширяется в базовую область и отсасывает отдаленные носители заряда. Несмотря на то, что с момента начала восстановления запирающих свойств обратный ток достаточно быстро спадает при быстрой коммутации, его амплитуда достигает высокого максимального значения. В том случае, когда количество в совокупности отведенных носителей заряда сравнимо с количеством первоначально накопленных носителей заряда, время выключения значительно уменьшается по сравнению со значением, определяемым равенством (8.22).

Дальнейшего сокращения времени выключения можно достичь третьим методом за счет дополнительного выведения дырок из n-базы с помощью отрицательно управляющего тока.

В то время как первые три метода применимы для любых тиристорных структур, метод выключения чисто током управления (метод 4) ограничивается специально разработанными структурами. Чаще всего в настоящее время на практике применяется второй метод – выключения тиристора путем коммутации анодного тока. Поэтому ему в последующем уделяется большее внимание.

Рассмотрим электрические свойства тиристора при коммутации тока без учета особенностей перестройки заряда, накопленного в базовых областях [8].

На рисунке 8.27 дано представление об основных элементах упрощённой схемы коммутации. До тех пор, пока переключатель S находится в положении 1 (t ≤ t₀), через тиристор протекает ток нагрузки I_т. Если переключатель S в момент времени t = 0 перевести в положение 2, то отрицательное коммутирующее напряжение U_K изменит направление тока на обратное. Ток I(t) благодаря этому уменьшается, начиная со своего первоначального значения I_т . По закону Кирхгофа

для t ≥ t₀ . (8.23)

Откуда

. (8.24)

Рисунок 8.27 - Схема коммутации

Так как напряжение на тиристоре изменяется медленно от стационарного значения u(t) = U_т ≈ 1В вплоть до момента, когда блокирующий слой начинает принимать на себя запирающее напряжение, им по сравнению с U_к можно пренебречь. Из (8.24) поэтому с учётом начального значения следует

. (8.25)

Ток в соответствии с (8.25) будет изменяться с постоянной крутизной

.

Скорость изменения тока в этом случае определяется параметрами схемы. Вследствие этого в момент перехода тока через нуль (t = t₁) в тиристоре ещё остается большое количество накопленных носителей заряда, которые поддерживают его в проводящем состоянии (рисунок 8.28).Поэтому ток протекает также с постоянной крутизной дальше и после перехода через нуль (рисунок 8.29).

Обратный ток выводит через переход П₁ дырки и через переход П₃ электроны из базовых слоев, а концентрация носителей заряда на их краях в точках x₂ и соответственно x₅ (рисунок 8.28) уменьшается быстрее, чем внутри. Тиристор начнёт запираться, как только концентрация избыточных носителей в этих местах станет равной нулю.

На рисунке 8.28 в такой режим сначала входит n-эмиттер (x₅). В основу рисунка положены типичные соотношения для мощного тиристора. С момента времени t₂ p-n переход П₃ берёт на себя часть запирающего напряжения. Вследствие того, что u(t) ≈ U₃(t) , напряжение на тиристоре будет отрицательным. В соответствии с равенством (8.25) благодаря этому уменьшается крутизна тока. Но это уменьшение, как правило, незначительно, так как П₃ вследствие высокой степени легирования p-базы может взять на себя только небольшое запирающее напряжения и большей частью уже при 10-20В достигается напряжение его пробоя. Для случая, когда напряжение коммутации велико(U_k >> U_B3), ток течёт практически с неизменной крутизной дальше до момента времени t₄, когда концентрация избыточных носителей у p-эмиттера (x₂) понижается, и переход П₁ принимает на себя запирающее напряжение. В последующем слой объемного заряда p-эмиттера (анода) быстро расширяется в n-базу. Одновременно крутизна тока (di/dt) уменьшается, и при u(t) = – U_k становится равной нулю. Соответствующий этому моменту ток обозначается I_обр.м . Если бы тиристор в этом состоянии поддерживал ток, равный I_обр.м , то напряжение на тиристоре оставалось бы равным коммутирующему напряжению [u(t) = – U_k]. Но поскольку, как следует из рисунка 8.28, концентрация носителей заряда и градиент dp/dx , вблизи П₁, определяющий диффузионный ток, начинает уменьшаться, то благодаря этому di/dt > 0, и из (8.23) следует

u(t) = – (U_k + L∙di/dt). (8.26)

Рисунок 8.29 - Изменение тока и напряжения в процессе коммутации

Рисунок 8.28 - Перераспределение заряда в процессе коммутации

Напряжение на тиристоре в соответствии с (8.26) превышает напряжение коммутации. При резком обрыве тока, т.е. высоком di/dt, на тиристоре может возникнуть напряжение, которое переведет p-n переход П₁ в состояние пробоя и возникнет опасность разрушения прибора. Для устранения перенапряжений устанавливаются RC-цепочки, как показано на рисунке 8.27. Энергия, накопленная в индуктивности, благодаря этому может разрядиться в виде затухающих колебаний в RC-цепочку. При этом сопротивление рассеивает лишь часть энергии, большая часть её преобразуется в теплоту в тиристоре. На рисунке 8.29 штриховой линией показано изменение напряжения на тиристоре при подключении RC-цепочки.

При активной нагрузке переходной процесс изменения обратного тока тиристора аналогичен процессу переключения диода из прямого направления в обратное (рисунок 8.15). Проведенный анализ переходного процесса выключения методом заряда дает следующее выражение:

. (8.27)

Для уменьшения времени выключения необходимо уменьшать время жизни неравновесных носителей заряда в широкой n-базе, что, в свою очередь, приводит к повышению падения напряжения в открытом состоянии. Это противоречие снижается при использовании гетерогенной по рекомбинационным свойствам n-базы тиристора, аналогично структуре высоковольтных импульсных диодов (раздел 6.2.2.). Увеличение плотности шунтирования катодного перехода ускоряет процесс рассасывания на этапе переходного процесса с отрицательным анодным током [(t₁-t₅) рисунок 8.29], а также увеличивает устойчивость к эффекту du/dt на этапе повторного приложения прямого напряжения, что уменьшает схемное время выключения. Дополнительное повышение устойчивости к du/dt обеспечивает метод комбинированного выключения, заключающийся в подаче на управляющий электрод обратного тока управления во время приложения повторного прямого напряжения, либо обратного статического смещения. В этом случае обратный ток управляющего электрода замыкает на себя емкостной ток центрального перехода и ограничивает инжекцию электронов из катода. Схемы основных типов тиристорных ключей, использующих методы выключения путем размыкания анодного тока и коммутации обратным анодным напряжением, приведены на рисунке 8.30.

При включении транзистора VТ на время t_u > t_выкл (рисунок 8.30, а), ток анода шунтируется (переключается) транзистором, так как напряжение U_CE.sat<U_пр – напряжения на открытом тиристоре. Избыточный заряд в структуре тиристора рекомбинирует за время t_выкл, и тиристор восстанавливает блокирующие свойства после окончания импульса.

С

Рисунок 8.30 - Выключение тиристоров методом размыкания анодного тока (а);

методом самокоммутации резонансным контуром (б);

параллельно-емкостной метод выключения (в)

Если параметры схемы (рисунок 8.30, б) удовлетворяют условиям незатухающих резонансных колебаний

R > ,

то тиристор фактически будет включён в цепь переменного тока с частотой

f = 1/2π .

Если полупериод T/2 > t_выкл , то во время отрицательной полуволны (разряд конденсатора С через тиристор) тиристор выключается. Последовательно-емкостная коммутация применяется в ряде схем последовательных инверторов.

На рисунке 8.30, в представлена схема тиристорного ключа с параллельно-емкостной коммутацией. Пусть в исходном состоянии VS1 открыт, а VS2 заперт. Конденсатор С заряжен до напряжения источника Е с плюсом на правой пластине. Если теперь подать открывающий импульс на VS2, то последний открывается и подсоединяет +Е на катод VS1. Обратный ток I_c разряда коммутирующего конденсатора, если длительность его протекания больше t_выкл (I_c > I_a), выключает тиристор VS1. При этом происходит включение VS2 и перезаряд ёмкости С (плюс на левой стороне). Схема ключа с параллельной емкостной коммутацией широко используется в преобразовательных устройствах.