Тиристор. Семистор. Силовые компоненты копиров.

Тиристор. Семистор. Силовые компоненты копиров.

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках пи­тания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим:

-         малые потери при коммутации;

-         большая скорость переключения из одного состояния в другое;

-         малое потребление по цепи управления;

-         большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается, и силовые приборы постоянно совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А, и рабочее напряжение свыше 6кВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управ­ления силовыми ключами. Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполярные транзисторы. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. 

Тиристор.

В тиристоре реализован второй способ включения четырехслойной структуры. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзи­сторов Тх или Г2. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики тиристора

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управле­нием (рис. 1). Вольт-амперная харак­теристика тиристора приведена на рис. 1. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения ре­гулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управле­ния снижается напряжение включения. Таким образом, ти­ристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

После включения управляю­щий электрод теряет управляю­щие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тирис­тора такие же, как и для динистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило назва­ние «эффекта dU/dt». Оно связано с зарядом емкости перехода Сп при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора): i_c2 = C₂dU/dt. Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.

Условное обозначение динисторов и тиристоров содержит информацию о материале полупроводника (буква К), обозначении типа прибора: (динистор — буква Н, тиристор — буква У), классе по мощности (1 — ток анода <0,ЗА, 2 — ток анода >0,ЗА) и порядковом номере разработки. Например, динистор КН102— кремниевый, малой мощности; тиристор КУ202 —: кремниевый, боль­шой мощности.

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:

- допустимое обратное напряжение Uобр;

- напряжение в открытом состоянии Uпр при заданном прямом токе;

- допустимый прямой ток Iпр;

- времена включения tвкл и выключения tвыкл.

При включении тиристора током управления после подачи импульса тока I_yt в управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис. 2. Процесс нараста­ния тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки t_ЗД, которое зависит от амплитуды импульса тока управления I_yt. При достаточно большом токе управления время задержки достигает долей микросекунды (от О,1 до 1...2 мкс).

Рис. 2. Переходные процессы при включении тиристора

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем лавинного на­растания. Это время существенно зависит от начального прямого на­пряжения U_np0 на тиристоре и пря­мого тока Iпр через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления.

 Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда и дли­тельность и, скорость нарастания dl/dt отвечали определенным тре­бованиям, которые обеспечивают включение тиристора  в  заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержания I а_УД.
Если тиристор выключается приложением обратного напряжения Uобр, то процесс выключения можно разделить на две стадии:

 -  время восстановления обратного сопротивления Iоб.в

 -  время выключения tвых.

После окончания времени восстановления tоб.в - ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время tвых к тирис­тору можно повторно прикладывать прямое напряжение U_пр0.

Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управ­ления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

Симистор.

Симистор — это симметричный тиристор, который предназначен для комму­тации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсив­ных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 2, а, а его схематическое обозначение на рис. 2,б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 3.

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включает­ся в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительно­го импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно-параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400 В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время вклю­чения — не более 10 мкс.

Рис. 2. Структура симметричного тиристора (а) и его схематическое изображение (б)

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика симистора