Что такое двухоперационный тиристор

Коллектор

Рис. 2.13. Условное графическое обозначение и схема замещения IGBT

Конструктивно IGBT представляет собой многослойную структуру, имеющую достаточно сложный для понимания принцип функционирования. Упрощенно IGBT можно представить в виде схемы замещения, как показано на рис. 2.13. Основу IGBT составляют биполярный и МОП транзисторы. Ток базы биполярного транзистора не выходит за пределы кристалла и зависит от сопротивления канала МОП транзистора, которое, в свою очередь, зависит от значения напряжения на затворе.

IGBT сочетает достоинства биполярного и полевого транзисторов. К недостаткам IGBT можно отнести его достаточно высокую стоимость. IGBT является одним из основных компонентов современной силовой электроники, где используется в качестве электронного ключа. На одном кристалле могут собираться несколько IGBT. Такие структуры называются силовыми модулями (power module) и применяются в силовых управляемых выпрямителях и силовых преобразователях – инверторах (chopper).

2.4. Тиристоры

Тиристор (thyristor) – это полупроводниковый компонент электронной техники, выполненный на основе трех p-n переходов и обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Тиристор, как правило, имеет три электрода: анод, катод и управляющий электрод.

Бывают однооперационные и двухоперационные тиристоры.

Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 2.14.

АнодАнод

Рис. 2.14. Условные графические обозначения тиристоров

Однооперационным (GCT – Gate Commutated Thyristor – тиристор с коммутацией по цепи управления) называют тиристор, который можно только открыть по цепи управления. Для его закрытия требуется снизить значение анодного тока I_а практически до нуля.

Двухоперационным (GTO – Gate Turn-Off thyristor – запираемый тиристор) называют тиристор, который можно как открыть, так и закрыть по цепи управления. GTO тиристоры получают все большее распространение, вытесняя GCT.

Рассмотрим принцип работы тиристора на основе однооперационного тиристора, управляемого по катоду. Его внутренняя структура приведена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Принцип работы тиристора

Тиристор, как правило, подключают к источнику питания E_пит последовательно с сопротивлением нагрузки R_н. В цепь управления подают ток от управляющего источника напряжения E_упр (управляющей схемы) через токоограничивающий резистор R_упр.

Вначале рассмотрим случай, когда ток в цепи управления тиристора отсутствует.

В случае подачи на анод тиристора отрицательного напряжения, а на катод положительного, p-n переходы № 1 и № 3 будут смещены в обратном направлении, а переход № 2 – в прямом. При этом ток через тиристор протекать не будет. Такой способ подключения называют обратным.

Источник

Типы тиристоров и принцип действия

Тиристор — это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя или более p-n-переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Вольт-амперная характеристика тиристора имеет участок отрицательного сопротивления. При включении в цепь переменного тока тиристор открывается, пропуская ток в нагрузку при достижении мгновенным значением напряжения определённого уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на управляющий электрод.

Перевод прибора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на него. К числу факторов, наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры, рисунок 2.27, г).

управляющего электрода при этом могут выполняться либо одна, либо две операции изменения состояния тиристора. В зависимости от этого различают одно- и двухоперационные тиристоры.

Все перечисленные приборы выполняют функцию бесконтактного ключа с односторонней проводимостью тока. Прибор, проводящий ток в обоих направлениях, называют симметричным тиристором (симистором). По своему назначению симистор (см. рисунок 2.27, д) призван выполнять функции двух обычных тиристоров включенных встречнопараллельно.

Анализ принципа действия указанных типов тиристоров проведем на примере достаточно подробного рассмотрения работы однооперационного тиристора (см. рисунок 2.27, б), как наиболее распространенного, а для других типов покажем их особенности.

Сначала методом диффузии акцептор-

ной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру типа р₁-п₁-р₂. Затем после локальной обработки поверхности р₂-слоя вносят донорную примесь в р₂-слой для получения четвертого п₂-слоя.

Для удобства изучения процессов, протекающих в тиристоре, представим его в виде структуры, изображенной на рисунке 2.29. Рассмотрение проведем с помощью вольт-амперной характеристики тиристора (рисунок 2.30) при включении внешних напряжений в соответствии с рисунком 2.29.

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления I_у = 0. Обратному напряжению тиристора (Е

Таким образом, способность тиристора выдерживать обратное напряжение возлагается на р-п-переход П₁. Проведенный ранее анализ обратной ветви вольт-амперной характеристики диода целиком применим к этому р-п-переходу. В частности, здесь аналогично решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений.

Проанализируем поведение тиристора при подведении к нему напряжения в прямом направлении (Е > О, U_ак > 0). Полярность внешнего напряжения на тиристоре и переходах структуры показана на рисунке 2.29 в

Анализ процессов в тиристоре при U_ак > 0 удобно прово-

Одним из факторов, влияющих на прямую ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, является зависимость коэффициентов α₁ и α₂ от тока. Примерный вид этой зависимости показан на рисунке 2.31.

Рисунок 2.31 – Зависимость коэффициентов α₁ и α₂ от тока

фициента α₂ в области малых токов.

После выяснения составляющих токов тиристора и установления зависимости коэффициентов α от тока можно рассмотреть прямую ветвь вольт-амперной характеристики прибора (рисунок 2.30).

Ток I_a можно найти, определив ток I_п2, протекающий через коллекторный переход:

С учетом того, что в любом сечении прибора при I_у = 0 протекает один и тот же ток I_а (I_п2 = I_Э1 = I_Э2 = I_а) соотношение (2.10) приобретает вид

(2.12)

Точка в является граничной, в которой создаются условия для отпирания тиристора. Напряжение на приборе в точке в называется напряжением переключения U_пер.

Причиной перехода тиристора из закрытого состояния в открытое является повышение роли составляющих α₁ I_Э1 и α₂ I_Э2 и соответственно их суммы (α₁+ α₂) I_а в токе через переход П₂ по сравнению с током I_к. По мере приближения к точке в увеличение тока через прибор происходит главным образом за счет составляющих α₁ I_Э1 и α₂ I_Э2, а не за счет увеличения тока
I_к = I_к0, вызываемого повышением напряжения на переходе П₂. В точке в роль составляющих α₁ I_Э1 и α₂ I_Э2 и их суммы (α₁+ α₂) I_а столь значительна в балансе составляющих токов (2.11), протекающих через переход П₂, что дальнейшее увеличение тока I_а возможно лишь за счет уменьшения тока I_к, а следовательно, уменьшения обусловливающего этот ток напряжения на переходе П₂ и тиристоре U_а (отпирание прибора).

Уменьшение напряжения на переходе объясняется тем, что увеличение составляющих токов α₁ I_Э1 и α₂ I_Э2 через переход П₂ вызывает увеличение потока электронов в п₁—базу и дырок в р₂-базу и соответственно появление в базах избыточных носителей заряда, снижающих потенциальный барьер коллекторного перехода. Одновременно с этим избыточные носители заряда в базах снижают потенциальные барьеры эмиттерных переходов П₁ и П₃, вызывая дополнительную инжекцию носителей заряда. Это приводит к еще большему возрастанию коэффициентов α₁ и α₂ и заполнению носителями зарядов обеих баз тиристора. В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному развитию процесса его отпирания.

Таким образом, коллекторный ток I_к играет существенную роль в работе тиристора, обеспечивая баланс составляющих токов через коллекторный переход. Необходимая величина I_к устанавливается благодаря изменению напряжения на коллекторном переходе под действием зарядов, накапливаемых в базах тиристора.

Рассмотрим поведение тиристора при наличии тока управления (I_у > 0). С этой целью получим выражение для его анодного тока. При I_у > 0 также справедливо выражение (2.10), определяющее ток коллекторного перехода по его составляющим. Как и в предыдущем случае, I_п2 = I_э1 = I_а, но в ток I_э2 будет входить I_у, поэтому I_э2 = I_а + I_у.

С учетом приведенных соотношений решение (2.10) относительно I_а дает

.

(2.13)

Тиристор как ключевой элемент нашел широкое применение в цепях постоянного и переменного токов. Рассмотренный режим работы, когда отпирание прибора следует после достижения на нем напряжения переключения U_пер (переключение по цепи анода), используется лишь в схемах с динисторами.

Для тиристора переключение по цепи анода представляет интерес лишь с точки зрения анализа принципа действия и вольт-амперной характеристики этого прибора. Практическое применение нашел режим отпирания по управляющему электроду, т. е. за счет подачи на управляющий электрод отпирающего импульса напряжения. Сущность этого режима отпирания тиристора заключается в следующем.

Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер и напряжения от десятков вольт до нескольких киловольт.

Тиристоры малой и средней мощности применяются в релейной и коммутационной аппаратуре. Их справочными параметрами по току служат допустимое значение среднего прямого тока или максимальный постоянный прямой ток. Параметром по напряжению этих тиристоров является максимально допустимое напряжение, которое определяется по наименьшему из значений прямого (U_пер при I_у = 0) и обратного напряжений, соответствующих началу крутого нарастания обратного тока.

Мощные тиристоры используются в системах преобразования электрической энергии. Параметры по току (I_п, I_рп, I_уд) и напряжению (U_p, U_п, U_нп) у них те же, что и для мощных диодов. Параметры по напряжению указываются по наименьшему значению прямого и обратного напряжений. Мощные тиристоры выполняют с теплоотводом. Способы теплоотвода здесь те же, что и для мощных диодов. Подобным же образом решаются задачи последовательного и параллельного соединения тиристоров.

Из других наиболее существенных параметров необходимо указать обратный ток тиристора, напряжение и ток цепи управления, соответствующие переходу тиристора из закрытого состояния в открытое. Динамические параметры тиристора характеризуют время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (время включения t_вк) и время восстановления запирающих свойств (время выключения t_в).

Фототиристор (см. рисунок 2.27, г) по принципу действия подобен рассмотренному. Отличие заключается в том, что увеличение числа носителей заряда в тиристоре, необходимое для его отпирания, производится не за счет тока управления, а за счет освещения прибора (р₂-слоя на рисунке 2.29). С этой целью в корпусе прибора предусматривается специальное окно.

Фототиристоры нашли широкое применение в высоковольтных установках преобразования электрической энергии, поскольку они позволяют надежно решать задачу развязки по напряжению выходной цепи прибора и системы управления.

В симметричных тиристорах (симисторах, см. рисунок 2.27, д) с помощью комбинации р— и n-слоев создают полупроводниковую структуру (рисунок 2.32, а), в которой как при одной, так и при другой полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики обычного тиристора. Прибор способен проводить ток в обоих направлениях; его вольт-амперные характеристики приведены на рисунке 2.32, б.

Верхняя часть структуры симистора (рисунок 2.32, а) состоит из слоев n₁, p₁ и п₄. Ее крайние слои металлизации электрически объединены и связаны с внешним выводом А прибора. В нижней части структуры слой металлизации, имеющий контакт с внешним выводом В прибора, связывает электрически слои р₂ и п₃. Вывод от центральной части р₁-слоя является управляющим электродом тиристора. Слои с противоположным типом электропроводности образуют в структуре пять р-п-переходов.

При подаче на управляющий электрод импульса напряжения положительной полярности относительно вывода А переход П₅ смещается в прямом направлении и инжектирует электроны из п₄-слоя в р₁-слой, которые под действием диффузии проходят р₁-слой в направлении перехода П₂. Прямое напряжение на переходе П₂ будет ускоряющим для электронов, которые входят в n₂-слой. Вошедшие электроны снижают потенциал п₂-слоя относительно p₁-слоя, прямое напряжение на переходе П₂ увеличивается, что приводит к инжекции дырок из р₁-слоя в п₂-слой. Пройдя под действием диффузии п₂— слой, дырки попадают в ускоряющее поле перехода П₃ и перебрасываются в р₂-слой. Диффузионное движение дырок в р₂-слое в направлении внешнего вывода В возможно лишь по пути огибания перехода П₄ (на рисунке 2.32, а показано стрелкой), так как поле перехода П₄ для дырок будет тормозящим.

В результате протекания дырочного тока через р₂-слой в нем создается падение напряжения, которое увеличивает прямое смещение перехода П₄. В свою очередь, увеличиваются инжекция электронов из п₃-слоя в р₂-слой и последующий их переход в р₂-слой во встречном направлении. Появление дополнительного числа электронов в п₂-слое вызывает еще больший поток дырок в направлении внешнего вывода В.

Симисторы выпускают на токи до 160 А и напряжение до 1200 В.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Двухоперационный тиристор

В схеме рис. 9.9, б сигнал маломощной системы управления включает двухоперационный тиристор ДТРу. К первичной обмотке импульсного трансформатора прикладывается напряжение источника Еу, происходит заряд конденсатора С с постоянной времени т КС. Когда напряжение на конденсаторе С достигает напряжения пробоя опорного диода Д, тиристор ДТРу выключается по цепи управления разрядным током конденсатора. [32]

По конструктивному выполнению такие тиристоры отличаются от однооперационных тем, что у двухоперационных тиристоров управляющий электрод выполнен распределенным, что позволяет регулировать эффективность инжекции с катодного управляющего перехода по всей площади. Физическая сущность процесса выключения заключается в том, что для отключения тиристора на управляющие электроды подается отрицательное напряжение. В результате снижается эмиттерный ток и тиристор выключается. [34]

На рис. 11.16 6 показана схема простейшего контактора постоянного тока, выполненного на двухоперационном тиристоре и управляемого с помощью контактных кнопок. После снятия сигналов управления тиристор остается во включенном состоянии. При нажатии на кнопку Стоп С ток управления идет через управляющий переход в обратном направлении и выключает тиристор ( путь тока выключения показан жирной линией); кнопка Стоп С двухпо-зиционная, сдвоенная. Бесконтактный контактор ( практически при одинаковых схемах управления) отличается от контактного быстродействием, наличием самоблокировки, отсутствием подвижных частей и контактов. [36]

На рис. 11.16 6 показана схема простейшего контактора постоянного тока, выполненного на двухоперационном тиристоре и управляемого с помощью контактных кнопок. При нажатии на кнопку Пуск П по цепи управления через резисторы Ri, R2 и управляющий переход тиристора идет положительный ток управления. После снятия сигналов управления тиристор остается, во включенном состоянии. При нажатии на кнопку Стоп С ток управления идет через управляющий переход в обратном направлении и выключает тиристор ( путь тока выключения показан жирной линией); кнопка Стоп С двухпо-зиционная, сдвоенная. Бесконтактный контактор ( практически при одинаковых схемах управления) отличается от контактного быстродействием, наличием самоблокировки, отсутствием подвижных частей и контактов. [39]

На рис. 11.16 6 показана схема простейшего контактора постоянного тока, выполненного на двухоперационном тиристоре и управляемого с помощью контактных кнопок. После снятия сигналов управления тиристор остается во включенном состоянии. При нажатии на кнопку Стоп С ток управления идет через управляющий переход в обратном направлении и выключает тиристор ( путь тока выключения показан жирной линией); кнопка Стоп С двухпо-зиционная, сдвоенная. Бесконтактный контактор ( практически при одинаковых схемах управления) отличается от контактного быстродействием, наличием самоблокировки, отсутствием подвижных частей и контактов. [40]

Задачей системы управления является создание импульса управления, необходимого для надежного отпирания тиристора и его запирания ( для двухоперационных тиристоров ) за определенное время. Требования, предъявляемые к системам управления, обусловлены физическими и конструктивными особенностями тиристоров, а также-характером нагрузки силовой цепи. Поэтому знание характеристик цепи управления тиристоров является необходимым условием при проектировании систем управления тиристорных преобразователей электрического тока. [43]

Численную связь между выключаемым анодным током / а и выключающим током управления / У () для одного из типов двухоперационных тиристоров показывает кривая / у уст (), приведенная на рис. 6.34, а. Из кривой видно, что после постепенного ее подъема ток управления резко возрастает. Граница такого возрастания определяет предельное значение анодного тока, который в данном типе прибора может быть еще выключен. [44]

Источник

Тиристоры: принцип работы, назначение, характеристики, проверка работоспособности

Тиристор представляет собой вид полупроводниковых приборов, предназначенный для однонаправленного преобразования тока (т.е. ток пропускается только в одну сторону).

Этот преобразователь имеет два устойчивых состояния: закрытое (состояние низкой проводимости) и открытое (состояние высокой проводимости). Назначение тиристора – выполнение функции электроключа, особенность которого – невозможность самостоятельного переключения в закрытое состояние. Прибор выполняет функции коммутатора разомкнутой цепи и ректификационного диода в сетях постоянного тока. Основным материалом при производстве этого полупроводникового устройства является кремний. Корпус изготавливается из полимерных материалов или металла – для моделей, работающих с большими токами.

Устройство тиристора и области применения

В состав прибора входят 3 электрода:

В отличие от двухслойного диода, тиристор состоит из 4-х слоев – p-n-p-n. Оба устройства пропускают ток в одну сторону. На большинстве старых моделей его направление обозначается треугольником. Внешнее напряжение подается знаком «-» на катодный электрод (область с электропроводностью n-типа), «+» – на анодный электрод (область с электропроводностью p-типа).

Тиристоры применяют в сварочных инверторах, блоках питания зарядного устройства для автомобиля, в генераторах, для устройства простой сигнализации, реагирующей на свет.

Принцип работы тиристоров

В специализированной литературе тиристор называется «однооперационным» и относится к группе не полностью управляемых радиодеталей. Он переходит в активное состояние при получении импульса определенной полярности от объекта управления. На скорость активации и последующее функционирование оказывают влияние:

Переключение из одного состояния в другое осуществляется с помощью управляющих сигналов. Для полного отключения тиристора требуется выполнить дополнительные действия. Выключение осуществляется несколькими способами:

При эксплуатации возможны незапланированные переключения из одного положения в другое, которые провоцируются перепадами характеристик электроэнергии и температуры.

Классификационные признаки

По способу управления различают следующие виды тиристоров:

Диодные (динисторы)

Активируются импульсом высокого напряжения, подаваемым на анод и катод. В конструкции присутствуют 2 электрода, без управляющего.

Триодные (тринисторы)

Разделяются на две группы. В первой управляющее напряжение поступает катод и электрод управления, во второй – на анод и управляющий электрод.

Симисторы

Выполняют функции двух включенных параллельно тиристоров.

Оптотиристоры

Их функционирование осуществляется под действием светового потока. Функцию управляющего электрода выполняет фотоэлемент.

По обратной проводимости тиристоры разделяются на:

Основные характеристики тиристоров, на которые стоит обратить внимание при покупке

Проверка тиристора на исправность

Прибор можно проверить несколькими способами, один из них – использование специального самодельного тестера, собираемого по представленной ниже схеме:

Такая схема предназначена для работы при напряжении 9-12 В. Для других значений напряжения питания производят перерасчет величин R1-R3.

Заключение

Источник