Лекции по электронике2. Е. Ю. Салита

• Название: Е. Ю. Салита
• Анкор: Лекции по электронике2.doc
• Дата: 13.05.2017
• Размер: 10.66 Mb.
• Имя файла: Лекции по электронике2.doc
• Тип: Конспект; #7498
• Категория: Электротехника. Связь. Автоматика
• страница: 9 из 11

7.4. Основные параметры тиристоров
Как и для диодов, основными параметрами тиристоров являются:

– предельный прямой ток I_пр;

– перегрузочная способность;

– прямое падение напряжения U_пр;

– повторяющееся и неповторяющееся прямое или обратное напряжение;

– сопротивление вентиля в прямом и обратном направлении;

– температурный режим.

Кроме того, существует ряд специфических параметров:

– напряжение включения;

– токи включения и удержания (выключения);

– обратный и прямой токи утечки;

– скорость нарастания прямого тока при включении;

– скорость нарастания прямого напряжения на закрытом вентиле;

– время включения и выключения;

– ток, напряжение и предельное значение мощности в цепи управления.

Прямое падение напряжения U_пр при прямом токе I_пр у тиристоров больше, чем у диодов (1,75-2,3 В) вследствие того, что выпрямительный элемент имеет большую толщину и ток преодолевает сопротивления трех p-n-переходов.

Как и диоды, тиристоры делятся на классы по допустимому повторяющемуся напряжению.

Напряжение включения тиристора U_вкл приблизительно равно максимальному обратному пробивному напряжению U_проб, так как обе эти величины определяются электрической прочностью двух p-n-переходов, следовательно они зависят от класса вентиля.

При повышении температуры значение напряжения включения U_вкл, так же как и значение напряжения пробоя U_проб, уменьшается. Прямой и обратный токи утечки характеризуют вентильные свойства закрытого тиристора в прямом и обратном направлениях. Для мощных тиристоров значения этих токов находится в пределах 20-40 мА при предельном значении приложенного напряжения и максимально допустимой температуры структуры T_jm.
7.5. Маркировка силовых тиристоров
Приведем пример маркировки силового тиристора, использующегося в составе выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП4000 электровозов ВЛ 80^Р и ВЛ 85.

Т 353-800-28-61 УХЛ 2 – Т – тиристор; 3 – порядковый номер модификации конструкции; 5 – модификация по диаметру корпуса (73 мм) по ГОСТ 20859.1–89; 3 – конструктивное исполнение корпуса по ГОСТ 20859.1–89 (таблеточный); 800 – предельный ток (среднее значение), А, при заданной температуре корпуса; 28 – класс по напряжению; 6 – группа по критической скорости нарастания напряжения – 250 В/мкс; 1 – группа по времени выключения – не более 500 мкс; УХЛ – климатическое исполнение по ГОСТ 15150–69 – для умеренного и холодного климата; 2 – категория размещения по ГОСТ 15150–69 – установка в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от внешней среды.
7.6. Лавинные тиристоры
В тиристорах, также как и в диодах, за счет специальных технологий можно создать такую структуру, в которой при подаче обратного напряжения возникает лавинный пробой. Такие тиристоры не выходят из строя при подаче на них больших значений обратных напряжений. Маркируются они буквами ТЛ (тиристор лавинный). В отличие от обычных тиристоров, они имеют лавинные области на прямой (область АБ) и обратной (область ВГ) ветвях ВАХ (рис. 7.7).



Рис. 7.7. Вольт-амперная характеристика лавинного тиристора
Лавинные области позволяют включать тиристор не только с помощью тока управления, но и подачей на анод прямого напряжения, большего, чем напряжение включения. Кроме того, лавинные тиристоры ограничивают кратковременные импульсы напряжения так же, как и выпрямительные лавинные диоды. При этом рассеиваемая энергия на p-n-переходе должна быть не выше 1 Дж.

Применение в этих приборах кремния высокой очистки и однородности, а так же технология изготовления p-n-переходов позволяют повысить допустимую температуру кремниевого элемента до 140 С, что позволяет увеличить номинальный ток тиристора без увеличения площади p-n-перехода.

Использование лавинных тиристоров в преобразовательных устройствах дает возможность обойтись без дополнительных устройств защиты и равномерного распределения напряжения между последовательно включенными вентилями.
7.7. Симметричные тиристоры (симисторы)
В некоторых схемах требуются приборы, которые можно включить как в прямом, так и в обратном направлении. Этому требованию отвечают симисторы.

Условное графическое обозначение симистора представлено на рис. 7.8.


а б

Рис. 7.8. Условное графическое обозначение (а) и представление симистора в виде двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (б)
При подаче импульса тока управления на управляющий электрод симистор включается при любой полярности анодного напряжения. Выключается– как обычный тиристор.

ВАХ симистора аналогична ВАХ двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 7.9).

Выпрямительный элемент симистора (рис. 7.10) имеет пятислойную структуру (n-p-n-p-n). Крайние переходы симистора замкнуты металлическими контактами (шунтами Ш₁, Ш₂) электродов А и В. Управляющий электрод подключен к области p₂.

Если полярность поданного напряжения следующая (на рис. 7.10 – без скобок): «минус» на электроде А и «плюс» на электроде В, то переход П₄ закрыт. При подаче положительного импульса на управляющий электрод (УЭ) ток проходит по пути n₁-p₂-n₃-p₄, как и в обычном тиристоре.


Рис. 7.9. Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора


Рис. 7.10. Структура симистора
При обратной полярности: «плюс» на электроде А и «минус» на электроде В, переход П₁ закрыт. Напряжение приложено к слоям p₂-n₃-p₄-n₅. При подаче на управляющий электрод положительного импульса электроны из цепи управления попадают в слой p₂ и под действием поля перехода П₂ переходят в слой n₃, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию дырок из слоя p₂ в слой n₃. Далее дырки переходят в слой p₄, у которого отрицательный потенциал. Возникает лавинный процесс нарастания тока и симистор открывается.

Прямая и обратная ветви ВАХ симистора имеют идентичный характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора.

Симисторы, как и обычные тиристоры, разбивают на группы по среднему падению напряжения и на классы по номинальному рабочему напряжению.

Симисторы применяют в качестве бесконтактных переключателей и управляемых вентилей для преобразования электрического тока.
7.8. Полностью управляемые тиристоры
Полностью управляемые тиристоры в различных источниках имеют следующие названия: запираемые, выключаемые, двухоперационные, GTO-тиристоры.

У обычных тиристоров можно управлять моментом включения, но нельзя управлять моментом окончания токовой проводимости. В связи с этим использование тиристоров в цепях постоянного тока, а также в инверторах, требует применения специальных средств (схем индуктивно-емкостных контуров коммутации), гасящих ток.

Условное графическое обозначение запираемого тиристора приведено на рис. 7.11.



Рис. 7.11. Условное графическое обозначение запираемого тиристора
В запираемых тиристорах положительным управляющим импульсом обеспечивается перевод тиристора в проводящее состояние, а отрицательным импульсом – выключение тиристора.

ВАХ запираемого тиристора аналогична ВАХ обычного тиристора, аналогичен и процесс включения.

Запираемый тиристор имеет такую же четырехслойную структуру, что и обычный тиристор, поэтому к ним применим транзисторный аналог. При подаче отрицательного импульса тока управления в базовый слой структуры уменьшается заряд в обоих базах транзисторов. При этом уменьшаются все составляющие тока тиристора и он выключается.

Переходный процесс выключения запираемого тиристора током в цепи управления происходит в три этапа (рис. 7.12).



Рис. 7.12. Переходные процессы при выключении запираемого тиристора
На первом этапе при протекании тока I_A = const подается импульс тока управления I_у на управляющий электрод (рис. 7.12, а). При этом происходит снижение значения тока катода I_к = (I_А – I_у). Чтобы первый этап перешел во второй необходимо определенное значение запирающего тока управляющего электрода, намного большее, чем значение тока включения (I_{у закр}  I_{у вкл}). Значение тока запирания I_{у закр} и тока анода I_А связаны значением коэффициента усиления при выключении:

(7.6)

Обычно G = = 3-5.

Второй этап характеризуется резким снижением токов I_А и I_К (рис. 7.12, а, б). В течение этого этапа происходит дальнейшее снижение концентрации носителей заряда в обеих базах структуры. Этап заканчивается тогда, когда эта концентрация становится равной нулю, при этом по цепи управляющего электрода и катода протекает обратный ток.

На третьем этапе происходит рассасывание неосновных носителей и ток тиристора снижается до нуля (рис. 7.12, а).

Основное конструктивное отличие запираемых тиристоров от обычных (незапираемых) заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и p-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), так же равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой р имеет шунты (зоны с n-типом проводимости), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах для снижения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

Запираемые тиристоры изготавливают в штыревых и таблеточных корпусах, устанавливаемых на типовых охладителях.


7.9. Специальные типы тиристоров
7.9.1. Оптотиристоры
Основу таких тиристоров составляет оптоэлектронная пара, состоящая из четырехслойной кремниевой структуры и излучающего диода. Так как цепи излучающего диода электрически изолированы от кремниевой структуры и управление происходит только за счет энергии светового луча светодиода, то такой прибор обеспечивает электрическую изоляцию силовых цепей от цепей управления, что упрощает системы управления тиристорами. Промышленность выпускает оптотиристоры на токи 6,3; 10; 40; 100; 160; 250; 320 А.

Приборы на токи:

– 6,3; 10 А – имеют прижимную конструкцию (прикрепляются к охладителю винтами);

– 40; 100; 160 А – имеют штыревую конструкцию;

– 250 и 300 А – имеют таблеточную конструкцию.

Максимальное рабочее напряжение электрической изоляции между силовыми и управляющими выводами составляет 1000 В.
7.9.2. Тиристоры с улучшенными динамическими свойствами
Обычные тиристоры предназначены для работы при частоте 500 Гц. Динамические свойства тиристоров определяются продолжительностью времени включения t_вкл и времени выключения t_выкл. Время выключения тиристора всегда намного больше времени его включения и является поэтому определяющим.

Промышленность выпускала тиристоры марок ТД (динамические), ТБ (быстродействующие) и ТЧ (частотные), обладающими улучшенными свойствами. Обозначение тиристоров выполнено в соответствии с применявшейся в 80-х годах прошлого столетия маркировкой.


7.9.2.1. Тиристоры ТД (динамические)
Данные тиристоры рассчитаны на частоту 500 Гц, но могут работать и при высоких скоростях. Для этой цепи в p-n-p-n-структуре применен эмиттер с локальными короткозамкнутыми участками, которые обеспечивают шунтирование емкостных токов. Применение специальной технологии создания p-n- переходов и высокая однородность их параметров по всей площади полупроводниковой структуры позволили повысить стойкость тиристоров к импульсной токовой нагрузке и обеспечить их работу при высоких скоростях нарастания тока при включении.
7.9.2.2. Тиристоры ТБ (быстродействующие)
Эти тиристоры обладают существенно уменьшенным t_выкл и t_вкл при значительных предельных токах и неповторяющихся напряжениях, а также повышенной стойкостью к скорости нарастания прямого напряжения и тока (t_выкл  20-50 мкс, t_вкл  5 мкс). Эти свойства обеспечивают работоспособность тиристоров ТБ при частотах до 10 кГц.
7.9.2.3. Тиристоры ТЧ (частотные)
Предназначены для работы на частоте 25 кГц (t_выкл  12-30 мкс, t_вкл  5 мкс). Повышение быстродействия этих тиристоров достигается путем специального выполнения p-n- переходов (уменьшение толщины базовых областей) и использование золота в качестве легирующей примеси, что ускоряет процесс рекомбинации электронов и дырок. Эти меры обеспечивают уменьшение времени жизни дырок в n-базе p-n-перехода, что ускоряет рассасывание заряда, накопленного в полупроводниковой структуре в период прохождения прямого тока. От этого заряда и скорости его рассасывания зависит переходного процесса запирания вентиля.

Тиристоры ТБ и ТЧ применяют в инверторах, импульсных регуляторах, прерывателях и преобразователях частоты.

7.9.3. Тиристор, проводящий в обратном направлении (асимметричный)
Тиристор имеет более тонкий слаболегированный слой n₁, так как между ним и слоем p₁ выполняется промежуточный слой n⁺₁. Вследствие этого уменьшается импульсное прямое напряжение во включенном состоянии и снижается время выключения. Зато при обратном напряжении переход П₁ не имеет возможности расширяться в сторону базы n₁ и поэтому имеет пробивное напряжение всего несколько десятков вольт.
7.9.4. Тиристор с обратной проводимостью (тиристор-диод)
Тиристор подобен обычному тиристору, с которым параллельно включен диод в обратном направлении. Применяется технология несимметричных тиристоров с их преимуществами и устраивается в структуре интегральный антипараллельный диод, изолированный от центральной секции прорезью или диффузионным защитным кольцом.
7.9.5. Комбинированно-выключаемый тиристор (КВК)
Это по существу обычный тиристор, время выключения которого существенно снижается благодаря смещению в обратном направлении управляющего перехода П₃ в процессе запирания. Слой p₂ выполняется низкоомным, а катод гребенчатой структуры, что увеличивает эффект выключения в процессе запирания.
7.9.6. Полевой тиристор
Это новый тип тиристора, управляемый напряжением, который в перспективе может заменить запираемый тиристор. Полевой тиристор представляет собой переключатель мощности, состоящий из p-i-n-диода с управляющим электродом в виде сетки.

Когда анод положительнее катода, а на сетке низкое напряжение, анод инжектирует дырки в i-слой, сопротивление его снижается, напряжение между анодом и катодом в открытом состоянии 1 В. Если на сетку подано высокое отрицательное напряжение, то вследствие сильного расширения области, обедненной зарядами, вокруг сетки под катодом образуется обедненный слой. Сетка выполняет роль эффективного коллектора, принимающего дырки из n-слоя. Образуется потенциальный барьер для электронов, инжектируемых из катода n⁺₁. В отсутствие электронов дырки также не могут инжектироваться анодом. Прибор оказывается в закрытом состоянии. В процессе запирания ток анода I_А переключается в цепь сетки.

При росте отрицательного напряжения на сетке увеличивается анодное напряжение отпирания прибора.
7.10. Конструкции тиристоров
Силовые тиристоры выполняются штыревой и таблеточной конструкции так же, как и силовые диоды. Для защиты р-n-p-n-структуры от поверхностного пробоя используются фаски. Одноступен­чатая фаска (рис. 7.13) для эмиттерного перехода J₁ обратная, а для коллекторного J₂ – прямая. В этом случае эмиттерный переход значительно лучше защищен от пробоя обратным напря­жением, чем коллекторный от пробоя прямым напряжением. Поэтому одноступенчатая фаска применяется для относительно низ­ковольтных тиристоров (на напряжение примерно до 1200 В). Для высоковольтных тиристоров, как правило, применяются двухступенчатые фаски (рис. 7.13, б). При этом угол α₁ принимается равным 30° + 45°, а угол α₂ ≈ 1,5° + 4°. Такая фаска используется для тиристоров напряжением примерно до 4 кВ. Для тиристоров на более высокие напряжения предложены фаски в форме "лас­точкиного хвоста" (рис. 7.13, в) и V-образные (рис. 7.13, г).

Основным достоинством фасок формы "ласточкин хвост" и V-образных является меньшая их ширина l_ф, что позволяет получить боль­шую активную поверхность структуры при заданном диаметре крем­ния. При диаметрах кремниевых структур до 16 мм их напаивают на вольфрамовые или молибденовые диски. Структуры диаметром более 16 мм со стороны анодного слоя сплавляются с термокомпенсатором (алюминиевая или силуминовая фольга) и собираются в корпусе c прижимными контактами к катодным слоям (рис. 7.14). Тиристорная структура 1 сплавлена с термокомпенсатором 2. ухступенчатая фаска защищена компаундом 3. Катодные поверхности и вывод управляющего электрода от базы р₂ металлизированы алюминием 4.

Полупроводниковые элементы силовых тиристоров монтируются в герметичные корпуса различных конструкций: штыревые с паяными прижимными контактами и таблеточные. Отличия корпусов ти­ристоров от корпусов диодов состоят в том, что элементы их имеют дополнительные отверстия для управляющих электродов.



а б



в г

Рис 7.13. Фаски p-n-p-n-структуры тиристора: а – одноступенчатая;

б – двухступенчатая; в – "лас­точкин хвост"; г – V-образная


Рис. 7.14. Тиристорный элемент со сплавным термокомпенсатором
Рассмотрим типичную конструкцию корпуса штыревого тиристо­ра с паяными контактами и боковым расположением управляющего электрода (рис. 7.15, а).

К основанию 1 припаивается тиристорный элемент 2. К основанию 1 приварено стальное кольцо 3, к которому сваркой прикрепляется коваровая втулка 4. Управляющий электрод имеет внутренний вывод 5, который посредством коваровой втулки 6 выводится наружу, где заканчивается наконечником 7. С помощью коваровой втулки 5 с наконечником 9 через стеклянный изолятор 10 внутренним выводом 11 выводится катод тиристора. Основание заканчивается шпилькой 12 для крепления тиристора в охладителе. Через нее выводится анод тиристора.



а б

Рис 7.15. Тиристор штыревой кон­струкции с паяными (а)

и прижимны­ми (б) контактами
В тиристоре с прижимными контактами (рис. 7.15, б) тиристорный элемент с односторонним термокомпенсатором 1 помещается на мед­ном основании 2. К основанию припаян стальной стакан 3. Крышка корпуса состоит из стальной манжеты 4 и керамического изолятора 5. Внутренний вывод управляющего электрода 6 с помощью коваро­вой втулки 7, наконечника 8 соединяется с гибким внешним выводом 9. Наконечник 10 катода с помощью внешнего силового гибкого вывода 11, нижний конец которого 12 вставлен в трубку 13 и обжат, соединяется внутренним основным выводом катода 14. Этот вывод имеет отверстие сложной конфигурации, через которое проходит внутренний управляющий вывод. Манжетой 15 тарельчатые пружины 16 прижимаются к изолятору 17, обеспечивая необходимое усилие в прижимных контактах. С помощью пружины 18 через изолятор созда­ется усилие нажатия на полусферический наконечник 19 внутреннего вывода управляющего электрода. Такая конструкция наиболее часто применяется при диаметрах структур от 16 до 32 мм.

Размеры тиристоров штыревой конструкции в зависимости от типа тиристора изменяются в следующих пределах: I – от 20 до 45 мм с жестким выводом и от 70 до 110 мм с гибким выводом; N – от 11 до 18 мм; D – от 12 до 45 мм; Е (размер под ключ, на рис. 7.15 не показан) – от 11 до 41 мм; W – от М 5 до М 24.

В таблеточном тиристоре (рис. 7.16) тиристорный элемент 1 рас­положен между медными основаниями 2 и 3. Между тиристорным элементом и основаниями устанавливаются прокладки из отожженно­го серебра толщиной 100-200 мкм (на рис. 7.16 не показаны). Ман­жета 4 высокотемпературным припоем припаяна к керамическому изолятору 5 и к нижнему основанию 2. Манжета 6 также высокотем­пературным припоем припаяна к изолятору. Гибкая кольцевая мембрана 7 припаивается к верхнему основанию 3. Кольцо 8 из изоляци­онного материала центрирует тиристорный элемент и серебряные прокладки относительно основания 2.

Управляющий электрод 9 с полусферическим наконечником разме­щен в выемке верхнего основания, изолирован изолятором 10 и при­жимается к контактной поверхности полупроводниковой структуры пружиной 11. Другим концом внутренний управляющий электрод 9 входит в трубку 12 керамического изолятора и сплющивается в этой трубке. К трубке припаивается наконечник 13, к которому крепится гибкий наружный вывод управляющего электрода 14. Если в тиристорной структуре применяется разветвленный управляющий электрод, то гальваническая развязка между катодным основанием и управляющим электродом обеспечивается воздушным зазором высо­той примерно 15-20 мкм или серебряной прокладкой, конфигурация которой совпадает с конфигурацией катодного эмиттера тиристорной структуры.



Рис 7.16. Тиристор таблеточной кон­струкции
Необходимый прижимной контакт между тиристорным элементом и основаниями обеспечивается прижимным усилием от 8 до 24 кН при установке таблетки в охладитель.

Размеры таблеточных тиристоров в зависимости от типа изменяются в следующих пределах: А – от 19 до 26 мм, D – от 60 до 100 мм, D₁ – от 30 до 50 мм.

8. Групповое соединение полупроводниковых приборов