Методические указания к лабораторной работе №3 Дисц. «Энергетическая электроника» (стр. 2 из 3)

На рисунке 2 показана также характеристика обратного тока, которая в принципе не отличается от обратной ветви вольт - амперной характеристики диода.

Основными параметрами тиристора являются:

1. I_{а. ср} - допустимое среднее значение прямого тока;

2. DU_а - падение напряжения на открытом тиристоре при допустимом значении прямого тока;

3. U_п - напряжение переключения, при котором происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое;

4. I_уд - ток удержания (или выключения) - минимум анодного тока, при котором прибор остается еще в открытом состоянии;

5. U_{обр. макс} - допустимая амплитуда обратного напряжения;

6. I_обр - обратный ток прибора при допустимом обратном напряжении.

2.3 Симметричные неуправляемые тиристоры

Симметричный неуправляемый тиристор (или двухпроводящий диодный тиристор) представляет собой прибор, структура которого показана на рисунок 3. Тиристор состоит из пяти чередующихся слоев электронного и дырочного типов проводимости, образующих четыре p-n-перехода.

Рисунок 3 – Структура симметричного неуправляемого тиристора.

Прибор имеет два вывода A и B. Особенностью симметричного тиристора является выведение к контактам, кроме слоев с электронной проводимостью п₁ и n₃, также двух слоев с дырочной проводимостью p₁ и p₂. Тем самым осуществляется шунтирование p-n-переходов П₁ и П₄ металлическими контактами. При подаче на прибор напряжения с полярностью, указанной на рисунке 3, на переходах П₂ и П₄ будет действовать прямое напряжение, а на переходах П₁ и П₃ — обратное. При малых значениях приложенного напряжения ток через прибор незначителен, так как на переходах П₁ и П₃ действует обратное напряжение, а на переходе П₄ — прямое напряжение мало из-за шунтирования металлическим контактом B. Поэтому через переход П₄ инжекция носителей заряда в область p₂ практически отсутствует, и весь прибор в целом заперт. При увеличении приложенного напряжения в p-n – переходе П₃ достигается напряжение лавинного пробоя; при этом дальнейшее возрастание напряжения вызывает значительные токи через переход П₃.

Рисунок 4 – Вольт - амперная характеристика симметричного неуправляемого диодного тиристора.

В этом режиме в области p₂ возникает заметное продольное падение напряжения, которое, будучи приложенным к p-n-переходу П₄, оказывается достаточным для открывания перехода и интенсивной инжекции носителей заряда в область р₂. С этого момента правая половина прибора работает точно так же, как диодный тиристор, к которому приложено прямое напряжение.

Если на электрод А подан отрицательный потенциал относительно электрода В, то левая половина прибора будет работать так же, как работала правая половина при противоположной полярности напряжения. Таким образом, симметричный неуправляемый тиристор можно рассматривать как два включенных встречно - параллельно диодных тиристора. Этот прибор имеет симметричную относительно начала координат вольт - амперную характеристику рисунок 4.

2.4 Триодный тиристор

Триодный тиристор отличается от диодного тем, что он имеет наружный вывод (управляющий электрод) от тонкой базы p₂.

Если к управляющему электроду приложить положительное напряжение относительно катода, то в цепи тонкой базы появляется дополнительный ток управления I_у, который совпадает по направлению с током I_n эмиттера п₂. Таким образом, ток через эмиттер в этом случае равен I_n =I+I_у

Рисунок 5 – Вольт - амперные характеристики триодного тиристора при (I_y2>I_y1>I_y=0).

Так как a_n возрастает с ростом эмиттерного тока, то условие a_p+a_n=1 будет выполняться при меньшем полном напряжении, чем при отсутствии тока управления. Таким образом, регулируя величину тока управления, можно изменять величину напряжения переключения тиристора. При некотором токе управления условие a_p+a_n=1 выполняется при внешнем напряжении на приборе, близком к нулю, т. е. из вольт - амперной характеристики (рисунок 5) тиристора исключается участок отрицательного сопротивления.

В связи с неполной идентичностью геометрических размеров и электрических свойств слоев р₂ и п₂ статические входные характеристики цепи управления тиристоров имеют заметный разброс, границы которого определяются на рисунке 6 двумя кривыми.

.

Рисунок 6 – Статические входные характеристики цепи управления тиристора.

Кривая А относится к тиристору с минимально возможным входным сопротивлением, а кривая В — к тиристору с максимально возможным входным сопротивлением. Координаты, отвечающие наиболее вероятным значениям напряжения и тока, при которых происходит отпирание тиристора, лежат в пределах пусковой (заштрихованной) области. Для того чтобы обеспечить отпирание всей группы тиристоров, управляемых в данном устройстве от общего источника напряжения, внешняя характеристика такого источника (прямая MN) должна лежать выше полосы наиболее вероятного разброса характеристик.

Электрическая мощность, теряемая в слоях p₂ и n₂ тиристора и в p-n-переходах, преобразуется в тепло, которое вызывает дополнительный нагрев тиристора и должно быть рассеяно в пределах максимально допустимой температуры нагрева. Токи и напряжения, характеризующие предельно допустимую по режиму нагрева мощность управления, определяются координатами гиперболы Р_{макс. доп.}, построенной на рисунке 6.

В большинстве случаев включение тиристоров осуществляется путем подачи в цепь управления импульса тока. При этом с уменьшением длительности управляющего импульса его амплитуда должна возрастать. Длительность импульса управления должна быть достаточной для того, чтобы рабочий ток, начинающий протекать через управляемый вентиль, смог бы нарасти до величины, превышающей значение тока удержания.

Минимальная длительность импульса управления обычно не должна быть менее 20 мкс. Как правило, длительность импульса управления выбирают в пределах 100-150 мкс, при этом значения тока управления соответствуют каталожным данным.

Процессы отпирания и запирания тиристоров описываются динамическими характеристиками и параметрами. Эти процессы протекают обычно кратковременно, с длительностью от долей микросекунды до 100 мкс.

При наличии положительного анодного напряжения и достаточного по амплитуде управляющего сигнала тиристор отпирается в течение интервала времени, равного I_отп . Время включения состоит из двух интервалов: времени задержки t_зад, в течение которого ток возрастает до 10% установившегося значения, и времени нарастания t_нар, в течение которого происходит дальнейшее увеличение тока до 90% установившегося значения.

Времена t_зад, t_нар и t_отп зависят от ряда факторов:

1) с увеличением амплитуды управляющего сигнала t_зад и t_нар уменьшаются;

2) с увеличением тока нагрузки t_зад и t_отп увеличиваются;

3) с увеличением индуктивности в цепи нагрузки t_отп возрастает;

4) при более высоких анодных напряжениях и температурах t_отп несколько уменьшается.

Вторым важным динамическим параметром является скорость нарастания анодного тока di_a /dt. Превышение допустимой величины di_a /dt может привести к выходу тиристора из строя, даже если среднее за период значение выделяемой в тиристоре мощности не превышает предельно допустимой величины. Причиной этого является конечная скорость увеличения сечения проводящего «канала» в полупроводниковой структуре. Граница «включенной» части перехода распространяется со скоростью порядка 0,1 мм/мкс. Поэтому при больших di_a /dt плотность тока через включающийся вначале узкий «канал» около управляющего электрода оказывается весьма большой. Это приводит к резкому увеличению удельной мощности во «включенном» объеме кристалла и быстрому повышению местной температуры. Особенно опасны большие di_a /dt для мощных приборов с большой площадью перехода.

Для нормальной работы, тиристора необходимо также ограничить скорость нарастания анодного напряжения du_a /dt. При быстром изменении анодного напряжения через тиристор будет протекать емкостный ток. Этот ток протекает в прямом направлении и будет тем больше, чем больше емкость среднего p-n-перехода и скорость нарастания анодного напряжения. Емкостный ток может вызывать умножение носителей зарядов в области среднего перехода по аналогии с умножением носителей зарядов от протекания тока управления. Таким образом, для каждого типа тиристора существует критическая скорость нарастания анодного напряжения (величина du_a /dt, которая указывается в паспорте прибора), при которой емкостный ток вызывает включение тиристора.