Ток во внешней цепи равен I,^=Iл=Jln=I, поэтому после подстановки / в (4.1) найдем
I(1- a1- a2) = Iko, откуда получим значение внешнего тока
I= Iko / I-(a1 + a2) 6.2
Пока выполняется условие (cti+ct2)<l ток в динисторе будет равен /ко- Если же сделать (oti+ota)^!, то динистор включается и начинает проводить ток. Таким образом, получено условие включения динистора.
Для увеличения коэффициентов передачи тока Cti или Од имеются два способа. По первому способу можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом напряжения t/=£/,„, один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.
Коллекторные ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут.в режим насыщения.
После включения транзисторов динистор замкнется и ток / будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде.
Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения 7 выкл или поменяв полярность напряжения на аноде.
Тиристор. Второй способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзисторов Г] или Г;. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.
В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. 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, ти-ристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.
После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тирис-тора 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 Сд при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора): ici=CidU/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 t/ogp;
• напряжение в открытом состоянии (/„р при заданном прямом токе;
• допустимый прямой ток /пр;
• времена включения <„ц, и выключения /выкл-При включении тиристора током управления после подачи импульса тока /у, ,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. 6.7. Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки <вд, которое зависит от амплитуды импульса тока управления /у,- При достаточно большом токе управления, время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до 1...2мкс).
Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем лавинного нарастания. Это время существенно зависит от начального прямого напряжения 1/„р„ на тиристоре и прямого тока /„р через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда /у„ длительность <„у, скорость нарастания dly/dt отвечали определенным тре-Рис. 6.7. Переходные процессы при включении бованиям, которые обеспечивают тиристора включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержания 7, уд.
Если тиристор выключается приложением обратного напряжения С/овр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления обратного сопротивления (оба и время выключения 1.^. После окончания времени восстановления <ов. ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время t™, к тирис-тору можно повторно прикладывать прямое напряжение С/про-
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 — это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. 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 400В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время включения — не более Юмкс.
Фототиристоры и фотосимисторы — это тиристоры и симисторы с фотоэлектронным управлением, в которых управляющий электрод заменен инфракрасным свето-диодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. В качестве примера рассмотрим устройство фотосимистора, выпускаемого фирмой «Сименс» под названием СИТАК.
Такой прибор потребляет по входу управления светодиодом ток около 1,5мА и коммутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600 В. Такие приборы находят широкое применение в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением. Они также могут использоваться при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая при этом гальваническую развязку цепей управления. Малое потребление цепи управления позволяет включать СИТАК к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного п-р-и-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (InsulatedGateBipolarTransistor), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.
При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, который не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 6.12 а. На этой схеме VT — полевой транзистор с изолированным затвором, П — паразитный биполярный транзистор, и, — последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R^ — сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора П. Благодаря сопротивлению Ri биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.12 б, характеризуются крутизной S и сопротивлением канала Ri.
Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р-и-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 6.12 в) появляется еще один />-п-р-транзистор 72.
Образовавшаяся структура из двух транзисторов 71 и 72 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора 72 влияет на ток базы транзистора Т\, а ток коллектора транзистора 71 определяет ток базы транзистора 72. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов 71 и 72 имеют значения cii и о; соответственно, найдем /к2=/э2"2> •^1=^э1"2 и I,=I^+I^+Ic. Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора
Ic= Ij(I- a1- a2) (6.3)
Поскольку ток стока /с ПТИЗ можно определить через крутизну 5 и напряжение U, на затворе Ic=SU, определим ток IGBT транзистора
Ik= Ij= SUj / I-(a1- a2) = SjUj(6.4)
где 5э=57[1-(сс1+а2)] — эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.
Очевидно, что при ai+oc^l эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения Oi и с^ можно изменением сопротивлений R^ и riпри изготовлении транзистора. На рис. 6.12 г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP 402 получено значение крутизны 15 А/В.