Методи переключення тиристора

 

Рисунок 64 Схема вмикання тиристора з керуючим електродом та часові залежності струму і напруги

 

При роботі тиристора з навантаженням він вмикається послідовно з опором навантаження і підключається до джерела змінного струму. При цьому процес включення тиристора розділяють на дві частини:

включення тиристора, коли тиристор переходить із закритого стану в відкритий;

виключення, коли тиристор під дією зовнішньої напруги переходить із відкритого в закритий стан.

На ці процеси впливають різні фізичні процеси, які проходять в самому тиристорі, зовнішні фактори (температура навколишнього середовища), тип навантаження (чисто активне навантаження, ємнісне, індуктивне або змішане).

 

Включення тиристора

 

Включення тиристора в роботу можна провести декількома способами.

1. Включення тиристора шляхом збільшення анодної напруги

При цьому процесі напругу, прикладену між анодом і катодом (емітером і колектором), необхідно повільно збільшувати від нуля, коли тиристор знаходиться в виключеному положенні, до напруги, коли за рахунок інжекції носіїв заряду буде скомпенсована різниця потенціалів на колекторному переході. Для практичний цілей такий спосіб переведення тиристора із одного стану в інший не застосовується, тому що джерело живлення має напругу, яка змінюється в часі по різним законам і застосовується тільки при знятті вольт-амперних характеристик.

2. Включення тиристора за допомогою струму управління

Збільшенні струму через один із емітерних переходів дає можливість додатково накопичувати носії заряду і переключити тиристор з закритого стану в відкритий при меншій напрузі, для цього використовують у керуючих тиристорів керуючий електрод, який відводять для кращого переключення від бази з меншою шириною.

Для створення струму керування на керуючий електрод подають відповідну напругу від додаткового джерела або зі спеціальної схеми управління.

В коло керуючого електроду вмикають обмежуючий опір, і подана напруга сприяє накопиченню не рівноважних носіїв заряду в базі, і це приводить до зменшення напруги переключення тиристора. Оскільки тиристор миттєво переключитися не може, це пов’язано з різними фізичними процесами в ньому, то імпульс керуючої напруги повинен мати визначену тривалість імпульсу і амплітуду. Процес переключення умовно розбивають на дві частини які характеризуються кожна своїм часом.

Час затримки – визначається процесом дифузії інжектованих із n- емітера електронів через р- базу до колекторного p-n-переходу. Струм через колекторний перехід (а відповідно і через тиристор) буде зростати тільки тоді, коли інжектовані із n- емітера електрони дійдуть до колекторного переходу. Цей час умовно визначають по перехідній характеристиці струму або напруги. Час затримки – це час, протягом якого струм досягне 0,1 нормального робочого струму при даному навантажені, або коли напруга на тиристорі зменшується до 0,9 напруги переключення.

Час наростання струму (спаду напруги) – це час, пов’язаний з інерційністю процесу накопичення носіїв заряду в базах при створенні не рівноважного заряду. За цей час проходить різке збільшення струму через тиристор або спад напруги, і цей час умовно визначають відповідними величинами напруги або струму, яких вони досягають за час наростання. Як правило, за час наростання струм збільшується до 0,9 або зменшується напруга до 0,1 відповідних значень. В цьому інтервалі часу інтенсивно збільшується кількість носіїв заряду і теоретично цей час відповідає умові рівності одиниці сумарного коефіцієнта передачі струму тиристорної структури (α=1).

Але зовнішнє навантаження, як правило, значно менше абсолютної величини опору ділянки з від’ємним опором, тобто |R_T|>R_H, тому в цей час α>>1, і при відсутності струму керування тиристор самовільно перейде із закритого стану в відкритий, і це буде визначати необхідну тривалість керуючого імпульсу.

Тривалість керуючого імпульсу повинна бути декілька більше часу затримки t₃ , щоб відбулися перехідні процеси накопичення не рівноважних носіїв заряду.

При роботі тиристора в перехідному режимі через нього проходить великий струм (α>1) і прикладена висока напруга, тому на тиристорі виділяється значна потужність, що може призвести до перегріву тиристора. Цю потужність називають потужністю комутаційних втрат, і вона не повинна перевищувати допустиму потужність, що розсіюється тиристором, щоб тиристор не перегрівся і не відбулося локальне руйнування структури, особливо в потужних тиристорах, через які проходить струм порядку декількох тисяч ампер. В залежності від напруги, при якій повинен переключатися тиристор, визначають потужність керуючого імпульсу.

3. Включення тиристора шляхом швидкого збільшення анодної напруги.

Тиристор, як чотирьохшарова структура, має дві емітерних ємності і одну колекторну. При швидкій зміні анодної напруги через тиристор додатково буде проходити ємнісний струм .

Цей струм залежить від величини ємностей і пов’язаний із різними фізичними процесами.

 

Рисунок 65 Залежність напруги включення від швидкості наростання

Тому емітерні і колекторні ємності по різному впливають на перехідний процес, а відповідно на напругу переключення тиристора. Так ємнісний струм колекторного переходу залежить від величини бар’єрної ємності і напруги, прикладеної до зворотно ввімкненого p-n-переходу, а відповідно і від того, як ця напруга змінюється в часі. Чим більше швидкість наростання анодної напруги на тиристорі, тим більше ємнісний струм колекторного переходу, який проходить через два емітерні переходи і впливає на збільшення струму, що в свою чергу приводить до збільшення інжектованих носіїв із емітера, і це призведе до зменшення напруги включеного тиристора.

Бар’єрні ємності емітерних переходів по своїй величині набагато більші ємності колекторного переходу, але шунтуються значно меншим опором. Ємнісні струми не пов’язані з інжекцією носіїв, то при швидкій зміні анодної напруги перехід тиристора з закритого стану в відкритий повинен відбутися при збільшенні анодної напруги, тому що струми не сприяють збільшенню носіїв заряду, інжектованих через емітерні переходи. В зв’язку з тим, що сталі часу емітерних переходів дуже малі, то практичного значення ємності емітерних переходів не мають і основний вплив має колекторна ємність, тому при швидкій зміні анодної напруги буде зменшуватися напруга ввімкнення тиристора.

Виключення тиристора

 

Перевести тиристор із відкритого стану в закритий можливо також декількома способами:

1. Виключення тиристора шляхом зняття напруги аноду (розривом зовнішнього кола)

Коли тиристор знаходиться в ввімкненому стані, в базах знаходиться великий збитковий заряд, який підтримується зовнішнім струмом. При розриві зовнішнього кола струм джерела живлення не буде підтримувати збитковий заряд і тиристор повинен перейти в закритий стан, але це можливо тільки тоді, коли збитковий заряд зникне із бази тиристора. А тому що зовнішнього кола немає, то бази можуть перейти в рівноважний стан тільки за рахунок рекомбінації збиткового заряду, а на це потрібний час. І якщо бази не перейшли в рівноважний стан, то при повторному включенні зовнішньої напруги опір колекторного переходу буде рівний нулю і тиристор залишиться в ввімкненому стані.

Час переходу баз від наявності збиткового заряду до рівноважного стану може бути значним, особливо в потужних тиристорах. Тому в практичних цілях такий спосіб виключення тиристора не застосовується.

2. Виключення тиристора шляхом зміни полярності анодної напруги

Для прискорення переключення тиристора необхідно прискорити процес рекомбінації і розсмоктування не рівноважних носіїв заряду в базі. Для цього треба зменшити потенційний бар’єр колекторного переходу, але при включеному тиристорі колекторний перехід знаходиться включеним в прямому напрямі і має малий опір. А тому при зміні полярності напруги в початковому стані ця напруга розподіляється між трьома переходами і на колекторний перехід на початку процесу припадає невелика частка зворотно підключеної напруги, і для того, щоб збільшити падіння напруги на колекторному переході, необхідно емітерні переходи привести до пробою. Крім того переключенню тиристора заважають ємнісні напруги переходів, і для виключення тиристора при такому способі треба значно збільшувати зворотну напругу, що може привести до виходу тиристора з робочого стану.

3. Виключення тиристора подачею на керуючий електрод напруги або струму

Для того, щоб переключити тиристор в рівноважний стан, необхідно відвести не рівноважний заряд із бази в якої є керуючий перехід, тому що анодний струм, який проходить через тиристор, підтримує тиристор в відкритому стані. Для того, щоб не рівноважний заряд якомога швидше вийшов із бази, подають напругу протилежної полярності до керуючої, це прискорює перехід тиристора із відкритого стану в закритий. Це легко відбувається в малопотужних тиристорів, в яких площа бази невелика; а у тиристорів потужних, де площа бази значна, не рівноважний заряд на ділянках бази, які віддалені від керуючого електроду, не можуть швидко стати еквіпотенціальними, і для цих тиристорів необхідно подавати потужний струм для переключення, що може привести до прогорання деяких ділянок бази.