Запираемый тиристор

В отличие от обычного тиристора запираемый тиристор может переключаться из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод импульса обратного тока. Это свойство запираемого тиристора существенно упрощает реализацию мощных преобразовательных устройств за счёт исключения громоздких узлов коммутации обычных тиристоров.

Базовая структура запираемого тиристора показана на рисунке 8.31. Она очень похожа на структуру обычного тиристора. Наиболее существенное отличие запираемого тиристора от обычного заключается в том, что первый имеет эмиттер в виде узких длинных полос, окружённых управляющими электродами, без шунтирования катода. При включении прибора управляющий электрод смещен положительно относительно катода, что приводит к введению дырок в его p-базу.

Рисунок 8.31 - Базовая структура Рисунок 8.32 - Выключение тиристора

запираемого тиристора

Запираемый тиристор включается в проводящее состояние так же, как и обычный тиристор, при выполнении условия

α₃ + α₁ > 1,

где α₃ и α₁ – коэффициенты усиления по току n-p-n и p-n-p –составных транзисторов прибора в схеме с общей базой.

Как и в обычном тиристоре, включение прибора происходит первоначально по краю n⁺-эмиттера, смежного с управляющим электродом. Затем запираемый тиристор достигает состояния полного включения за счет процесса распространения плазмы.

При выключении управляющий электрод смещается отрицательно относительно катода и дырочный ток экстрагируется из его p-базы (рисунок 8.32). Процесс выключения тиристора носит двухмерный характер, как и выключение высоковольтного биполярного транзистора. Выключение прибора начинается с края эмиттера, где переход П₃ смещается в обратном направлении. В процессе выключения проводящий участок n-эмиттера сжимается по направлению к центру эмиттера из-за падения напряжения на омическом сопротивлении базы, пока, наконец, в центре эмиттера не остаётся тонкая проводящая нить.

За это время, называемое временем рассасывания, анодный ток практически не изменяется, плотность тока в центре эмиттера оказывается гораздо больше, чем в том случае, когда весь прибор находится в проводящем состоянии. Если управляющий электрод отводит достаточный заряд, чтобы снизить уровень избыточного заряда ниже значения, требуемого для поддержания состояния проводимости, то запираемый тиристор выключается, и ток снижается до своего минимального значения. Время, в течение которого это происходит, называется временем спада.

Анодное напряжение начинает нарастать по мере уменьшения тока. Однако ток спадает не до нуля, а до некоторого порогового значения, называемого остаточным током, который протекает до тех пор, пока весь накопленный заряд не будет удален из области n-базы (рисунок 8.33). Этот этап носит название времени восстановления.

Рисунок 8.33 - Диаграммы изменения тока (а) и зарядов в базе (б)

при выключении тиристора по управляющему электроду

Следует отметить особенности и необходимое условие для реализации запираемого тиристора.

1. Сумма коэффициентов передачи тока транзисторных секций должна быть близкой к единице:

α₁ + α₃ ≥ 1.

Это условие обеспечивает малый избыточный заряд в базах тиристора в открытом состоянии (∆Q ~ (α₁ + α₃ – 1)∙τ_еf ), который может быть удалён посредствам обратного тока управляющего электрода. В то же время для эффективного удаления избыточного заряда необходимо большое значение α₃. Поэтому это условие трансформируется следующим образом:

α₃ ≤ 1 ; α₁ ≥ 0.

2. Структура катода не должна содержать технологических шунтов. Это условие необходимо для обеспечения эффективного удаления избыточного заряда.

3. Сопротивление p-базы должно быть минимальным.

4. Напряжение лавинного пробоя катодного перехода должно быть по возможности большим (U_B3 > 20 B).

Последние два условия обеспечивают необходимую величину обратного тока управления .

При превышении I_у.зап этого значения наступит лавинный пробой катодного перехода П₃, и этот ток не будет связан с удалением накопленного заряда, но может привести к отказу тиристора из-за повышенной выделяемой мощности. Для уменьшения сопротивления r_В используется полосковая топология катода, а также структуры с «заглублёнными» в p-базе p⁺ стержнями по всей ширине катода, обеспечивающими уменьшение поперечного сопротивления базы.

Выражение для коэффициента запирания можно получить из рассмотрения двухтранзисторной модели. Дырочный базовый ток n⁺-p-n транзистора равен I_k∙(1 – α₃). С другой стороны этот ток поставляется посредствам тока анода и током управления (α₁∙I_a + I_y). Из равенства этих токов следует:

K_зап = . (8.28)

Для повышения коэффициента усиления при запирании по управляющему электроду необходимо обеспечить α₃ ≤ 1, и α₁ ≥ 0, что совпадает с первым условием запираемого тиристора. Эффект шнурования анодного тока в процессе выключения приводит к уменьшению динамического напряжения в закрытом состоянии(U_dp), как и у биполярного транзистора. В тиристоре без технологического шунта в аноде оно ограничено напряжением смыкания n-базы с учетом динамического заряда электронов. В отличие от транзистора, где поставка внутреннего обратного тока осуществляется за счет ударной ионизации, в тиристоре при смыкании ОПЗ n-базы происходит инжекция дырок из p⁺-анода, что может привести к самовключению и разрушению прибора во время переходного процесса за счёт локального повышения температуры до 600–700 °С.

Инициирующей причиной чрезмерной плотности тока являются главным образом эффект шнурования, обусловленный сопротивлением p-базы, и эффект накопления заряда в n-базе. Предельное максимальное значение анодного напряжения, прикладываемое к переходу в течение этапа спада U_dp , главным образом зависит от коэффициента передачи составного n-p-n транзистора (чем выше коэффициент передачи, тем ниже U_dp) и ширины n-базы.

На стадии выключения прибора проводящая область вдоль эмиттера в конце концов сжимается в узкую линейную область, которая затем разрывается на отдельные проводящие участки.

После этапа спада, когда эмиттерный переход П₃ восстанавливается, через него протекает остаточный ток, который распределяется опять по всему эмиттеру. Хотя этот ток и незначителен, из-за довольно высокого прикладываемого анодного напряжения возникают существенные потери мощности тиристора. Анодное напряжение может нарастать в течение этапа спада тока, что приводит к появлению дополнительной токовой компоненты, обусловленной эффектом du/dt. В случае высокого значения остаточного тока происходит повторное включение тиристора.

Рисунок 8.34 - Область безопасной работы

запираемого тиристора

В обоих вариантах разрушения прибора, рассмотренных выше, следует подчеркнуть факт нарастания тока. Поэтому устанавливают значение максимального допустимого анодного тока I_AM, которое можно выключить с помощью управляющего электрода. Для решения поставленной задачи целесообразно определить области безопасной работы (ОБР) запираемого тиристора (рисунок 8.34). Участок А соответствует максимальному значению тока I_A.M., обусловленному ограничениями по тепловой мощности рассеяния и равенством (8.28) для коэффициента запирания, связанным с предельным управляющим током; участок В учитывает ограничение по U_dp, определяемое в основном ОБР составного n-p-n транзистора, управляемого дырками, инжектируемыми из p-эмиттера; участок С – это область остаточного тока составного p-n-p транзистора. Работа с выходом за пределы любого из этих участков приводит к выходу прибора из строя.

Для расширения ОБР и повышения устойчивости запираемых тиристоров используют технологическое шунтирование анодного p-n перехода.

Хотя применение структур с зашунтированным анодом приводит к потере блокирующей способности в обратном направлении, это обстоятельство не накладывает существенных ограничений на области применения запираемых тиристоров, где имеется встречно-параллельный диод, который используется для обеспечения протекания обратного тока. При анодном шунтировании увеличивается блокирующая способность в прямом направлении благодаря уменьшению коэффициента передачи α₁ в случае работы прибора при высокой температуре.

Типовой вид зависимости коэффициента усиления при запирании от тока анода приведен на рисунке 8.35.

При малых токах анода, близких к току удержания, избыточный заряд мал и коэффициент запирания велик. При больших токах анода возрастание К_зап связано с уменьшением α₁ на высоких уровнях инжекции. При превышении тока анода значения I_a.m тиристор выходит из строя. Максимально запираемый ток анода может быть оценен из допустимого обратного тока управления

.

Рисунок 8.36 - Цепи запирания с транзисторным (а) и тиристорным (б и в) ключами

Схемы запирания тиристора по управляющему электроду приведены на рисунке 8.36. Развязывающие диоды предотвращают воздействие анодного источника на цепь включения. Следует отметить, что у запираемых тиристоров амплитуда открывающих токов управления в 5…10 раз выше, чем статический ток спрямления. Время выключения запираемого тиристора (длительность отрицательного импульса управления) уменьшается с увеличением амплитуды тока управления. Избыточный заряд рассасывается быстрее при увеличении обратного тока. Применение оптотиристоров в цепях выключения мощных запираемых тиристоров позволяет существенно повысить помехоустойчивость схем на основе таких ключей.

Симисторы

Симисторы представляют собой соединение двух встречно-параллельных n-p-n-p структур, обеспечивающих ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением в 1 и 3 квадрантах.

Различают неуправляемый или диодный симистор-диак, а также управляемый симистор или триак.

Триак – это интегральное соединение двух встречно - параллельных тиристоров. Он представляет собой трех электродный, пятислойный прибор, который может блокировать или проводить ток в любом направлении при наличии одного управляющего электрода.

Рисунок 8.37 - Базовая структура триака

Рисунок 8.38 - Вольт-амперная характеристика триака

С помощью триака, таким образом можно легко управлять мощностью переменного тока. Базовая структура триака показана на рисунке 8.37. Он состоит из двух тиристоров А и В с общим электродом и управляющим электродом УЭ. Слои металлизации эмиттеров N2 и N4 простираются соответственно на слои Р2 и Р1, так что последние являются одновременно контактами катодного и анодного эмиттеров.

Вольт-амперная характеристика триака (рисунок 8.38) симметрична относительно начала координат. Прибор может работать либо в первом, либо в третьем электрических квадрантах (с положительными выводами 1 и 2).

В любом квадранте триак может включаться и положительным и отрицательным управляющими импульсами. Прибор имеет четыре самостоятельных режима включения с помощью управляющего электрода: первый квадрант с положительным управлением, первый квадрант с отрицательным управлением, третий квадрант с положительным управлением и третий квадрант с отрицательным управлением.