Диодные и триодные тиристоры

Назначение и классификация

Силовые модули на основе IGBT-транзисторов

Одним из эффективных путей улучшения технико-экономических показателей преобразователей является конструктивно-технологическая интеграция элементов и, в частности, полупроводниковых приборов. Гибридные интегральные схемы, состоящие из соединенных определенным образом приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.), смонтированных в едином пластмассовом корпусе, называются силовыми полупроводниковыми модулями.

Схемы соединения элементов в модулях обычно соответствуют типовым схемам преобразования (например, однофазный или трехфазный мост) или их составным частям (например, последовательно или параллельно соединенные элементы).

Серийные транзисторные модули обычно изготавливаются по планарной технологии.

В настоящее время производство силовых модулей на основе IGBT- транзисторов осваивает ОАО “Электровыпрямитель” (г. Саранск).

IGBT-модули обладают следующими преимуществами:

– электрическая изоляция элементов схем модулей от охлаждающих устройств, что позволяет устанавливать их на одном радиаторе (охладителе);

– легкость монтажа и удобство объединения с другими схемами преобразователя;

– минимизация паразитных индуктивностей в силовых цепях и, за счет этого, снижение всплесков перенапряжений и коммутационных потерь в транзисторах;

– так как транзисторы обладают высокой стойкостью к du/dt, то их надежная работа обеспечивается при предельных загрузках по току и напряжению;

– возможность использования IGBT-модулей в параллельных соединениях;

– малые времена спада тока при выключении;

– очень низкие и практически не зависящие от температуры остаточные токи, что особенно важно при работе транзисторов на высоких частотах;

– высокие значения коммутируемых токов (до 1200 А) и напряжения (до 3,3 кВ).

Модули бывают 1, 2, 3 конструктивного исполнения:

1 исполнение – ширина модуля 34 мм (токи 25, 50, 75 А);

2 исполнение – ширина модуля 62 мм (токи 100, 150, 200 А);

3 исполнение – ширина модуля 62 мм (токи 200, 320, 400 А).

С 1998 года ОАО ”Электровыпрямитель” наладило производство модулей на ток 1200 А и напряжением 3300 В шириной 140 мм.

7. Тиристоры

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Это определило его название – “thyra” по гречески “дверь”. Тиристор подобно двери открывается, пропуская электрический ток, и закрывается, преграждая путь току. Тиристоры используются в цепях электропитания устройств связи и энергетики, в качестве регуляторов.

Применение тиристоров на электроподвижном составе и тяговых подстанциях позволило осуществлять плавное регулирование выпрямленного тока, инвертирование тока, а также выполнять ряд других функций.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор. К числу факторов, наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры).

По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них вместо трех – четыре (или более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость последовательно чередуется.

Существует много разновидностей тиристоров (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Классификация тиристоров

Основными типами являются диодные и триодные тиристоры.

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины – напряжения включения (U_вкл), являющейся параметром прибора.

В триодных тиристорах (тринисторах) управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.2. Тиристор имеет структуру p₁-n₁-p₂-n₂ c тремя p-n-переходами (П₁- П₃).

Рис. 7.2. Устройство тиристора с управляющим электродом

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремниевая пластина n-типа. Сначала путем диффузии акцепторной примеси с обеих сторон создают транзисторную структуру p₁-n₁-p₂. Затем, после локальной обработки поверхности слоя p₂, вносят донорную примесь в этот слой для получения четвертого n₂-слоя.

Рассмотрим структурную схему тиристора при приложении напряжений обратной и прямой полярности и его ВАХ (рис. 7.3, 7.4).

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления I_у = 0. Обратному напряжению соответствует полярность, указанная на рис. 7.3 без скобок. При приложении обратного напряжения U_обр переходы П₁ и П₃ закрыты, П₂ – открыт. Падение напряжения на переходе П₂ мало, поэтому можно предположить, что обратное напряжение U_обр распределяется равномерно между переходами П₁ и П₃.

Рис. 7.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 7.4. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

При изготовлении тиристоров концентрация примесей в слоях p₂ и n₂ делается намного выше концентрации примесей в слоях p₁ и n₁, поэтому переход П₃ получается узким. С приложением обратного напряжения переход П₃ вступает в режим электрического пробоя при напряжении, меньшем рабочего напряжения тиристора, то есть обратное напряжение приложено по существу к переходу П₁.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П₁ или диода (рис. 7.3). Именно на переходе П₁ решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений (создание лавинного тиристора).

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П₁ и П₃ открыты, переход П₂ закрыт.

Рассмотрим работу тиристора при токе управления I_у = 0. Этот режим соответствует работе тиристора в режиме динистора.

Для рассмотрения принципа работы тиристора воспользуемся двухтранзисторной аналогией. На рис. 7.4 можно представить структуру p₁-n₁-p₂ в виде транзистора VT1, а структуру n₂-p₂-n₁ в виде транзистора VT2. При этом переходы П₁ и П₃ будут являться эмиттерными переходами двух транзисторов, а переход П₂ будет являться общим коллекторным переходом для обоих транзисторов. Через эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 будут протекать токи I_э1 и I_э2, а коэффициенты передачи этих токов – α₁ и α₂.

Из-за большого сопротивления перехода П₂ тиристор находится в закрытом состоянии.

Чтобы открыть тиристор необходимо сбалансировать потенциальный барьер на границе слоев n₁ и p₂. Под действием прямых напряжений через эмиттерные переходы (П₁ и П₃) происходит инжекция основных носителей заряда в соответствующие базы транзисторов n₁ и p₂. В транзисторе VT2 электроны из эмиттера (слой n₂) переходят в базу (слой p₂), где становятся неосновными носителями. Часть этих электронов рекомбинирует в базе, а остальные переходят на коллектор n_1, где создается избыточный отрицательный заряд. Аналогично дырки создают в слое p₂ избыточный положительный заряд.

Однако, за счет обратного напряжения на переходе П₂ в области n₁ имеется положительный заряд, а в области p₂ – отрицательный, образующие потенциальный барьер. Избыточные электроны в слое n₁ и дырки в слое p₂, накапливаясь, создают свое электрическое поле, которое снижает потенциальный барьер. Чем больше напряжение U_пр, тем больше это поле, и в результате оно может полностью компенсировать потенциальный барьер, при этом U_пр достигнет значения напряжения включения U_вкл. Ток тиристора резко возрастет, тиристор откроется, его ВАХ будет идентична ВАХ диода. Сопротивление перехода П₂ станет незначительным (как у переходов П₁ и П₃). На рис. 7.3 значение напряжения включения U_вкл соответствует значению в точке а.

Процесс скачкообразного переключения тиристора из закрытого состояния в открытое можно еще весьма просто объяснить математически.

Коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются следующим образом:

I_к1 = a₁×I_э1;

I_к2 = a₂×I_э2. (7.1)

Через коллекторный переход течет еще обратный ток этого перехода – I_ко – тепловой ток. Таким образом, результирующий ток коллекторного перехода будет равен:

I_кол = I_к1 + I_к2 + I_ко = a₁×I_э1 + a₂×I_э2 + I_ко. (7.2)

Все переходы в тиристоре соединены последовательно и тиристор имеет два силовых вывода, поэтому результирующий ток будет равен:

I_А = I_к = I_э1 = I_э2. (7.3)

Из выражения (7.2) с учетом (7.3) можно определить ток анода:

. (7.4)

При малых токах a₁ и a₂ значительно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответствии с выражением (7.4) ток I_А получается сравнительно небольшим. С увеличением тока a₁ и a₂ растут, и это приводит к возрастанию тока I_А. При некотором токе, являющимся током включения I_вкл, сумма a₁ + a₂ становится равной единице и ток I_А возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки R_н (участок б-в на рис. 7.3). Именно такое стремление тока I_А неограниченно возрастать указывает на скачкообразное нарастание тока, то есть на отпирание тиристора.

При отсутствии тока управления I_у тиристор будет всегда открываться при напряжении включения U_вкл (точка а на рис. 7.3), но он неуправляем, т.е. работает в режиме динистора.

В ряде случаев динистор используется в электрических цепях в качестве разрядника, например для защиты вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов электроподвижного состава. Работа его заключается в следующем: при возникновении перенапряжения и соответствующем пробое динистора вентильная обмотка преобразовательного трансформатора закорачивается, но аварийное перенапряжение при этом не пропускается на нагрузку.

Недостатком динисторов является большое значение напряжения включения U_вкл при протекании больших токов.

Создав третий электрод можно управлять моментом открытия тиристора. Такой тиристор (трехэлектродный) называется тринистором.

С увеличением напряжения управления + U_упр возрастает значение тока управления I_у. Ток управления приводит к движению электронов из области n₂ в область p₂. Для области p₂ электроны – неосновные носители заряда, для них поле перехода П₂ действует втягивающее (экстракция). Эти электроны усиливают компенсацию объемного положительного заряда и тиристор открывается при значении прямого напряжения U_пр меньшем, чем значение напряжения включения U_вкл. У тиристора растет значение a₂, сумма a₁ + a₂ стремится к единице при напряжении U_пр < U_вкл. Значения тока I_у – единицы миллиампер, при этом значения тока I_А достигает десятков и сотен ампер. На рис. 7.3 точки г, д, е, ж соответствуют различным сочетаниям значений U_вкл и I_у (U_вкл1 и I_у1; U_вкл2 и I_у2 и т.д.). Существует значение тока управления, при котором тиристор открывается сразу – ток управления спрямления. При этом ВАХ тиристора вырождается в ВАХ диода.

Тиристор – частично управляемый вентиль, так как можно управлять только моментом его открытия, тиристор не может закрыться при уменьшении I_у, а закроется при условии, что ток анода I_А будет меньше тока удержания I_уд.