Тиристор, или кремниевый управляемый выпрямитель, является полупроводниковым прибором, который используется для преобразования электрического тока и напряжения Тиристор представляет собой четырехслойную структуру с тремя выводами и пропускает ток между анодом и катодом, когда на его управляющий электрод подается сигнал управления. В отсутствие сигнала управления прибор может блокировать высокое напряжение при малом токе утечки. Первый тиристор, изготовленный в конце 50-х годов, в выключенном состоянии блокировал напряжение порядка сотен вольт, а в открытом состоянии проводил ток, равный нескольким амперам. В настоящее время разработаны тиристбры, блокирующие напряжение свыше 6000 В и проводящие ток более 3000 А (пределы тока и напряжения продолжают увеличиваться).

В этой главе описываются различные типы тиристоров и облас; ти их применения, а также рассматриваются некоторые вопросы конструирования тиристоров.

Если к аноду приложен положительный потенциал, то прибор также имеет высокое сопротивление до тех пор, пока на его управляющий электрод не подается сигнал управления. После этого происходит включение тиристора. Переход из закрытого состояния в открытое происходит очень быстро, и тиристор остается в открытом состоянии, даже если закончится сигнал управления. Переключение из открытого состояния в закрытое обычно производится не по управляющему электроду, а с помощью внешней цепи. Прибор выключается, когда ток уменьшается ниже критического уровня, называемого током удержания.

1.2.1. Характеристики по напряжению

В обратном закрытом состоянии к аноду прикладывается отрицательный потенциал по отношению к катоду и оба перехода и J3 становятся обратносмещенными (рис. 1.1).

Поскольку слой М является слабо легированным, иначе говоря, обладает значительно большим сопротивлением, чем слой N2, практически все напряжение прикладывается к переходу и в этом случае вольт-амперная характеристика тиристора аналогична характеристике диода (рис. 1.2, кривая СБА). Между анодом и катодом может быть приложено высокое напряжение при протекании очень малого тока утечки. Однако если это напряжение превысит напряжение пробоя v, перехода J2, то ток вследствие эффекта лавинного умножения быстро увеличится. В прямом закрытом состоянии переход 12 становится обратносмешенным и блокирует приложенное напряжение. Дальнейшее превышение критического уровня может привести к быстрому увеличению тока, но если ток превысит некоторый пороговый уровень, так называемое напряжение переключения Vpo, то произойдет включение

Прямой так

Обратный ток

Напр:

ттение

Рис. 1.2. Характеристики тиристора Рис. 1.3. Характеристики тиристора

в открытом состоянии

тиристора (рис. 1.2, кривая EFG). В большинстве тиристоров стараются избежать такого включения, так как оно снижает надежность прибора.

Ток утечки, который течет через два прямосмешенных и один обратносмещенный переход, сильно зависит от температуры, и в тиристорах на основе кремния при температуре выше 125° С может происходить быстрое нарастание тока утечки, что приводит к разрушению прибора. Ограничение температуры является очень важным критерием, поскольку от этого зависит предельная мощность тиристора.

1.2.2. Характеристики по току

Вольт-амперная характеристика тиристора в открытом состоянии приведена на рис. 1.3. Прямое напряжение тиристора в открытом состоянии определяется при заданном токе. Это напряжение является весьма важной характеристикой, так как оно определяет рассеиваемую мощность тиристора, а следовательно, и его температуру. Поэтому при конструировании тиристора желательно достичь наименьшего прямого напряжения в открытом состоянии, для того чтобы иметь максимальный рабочий ток.

Другой важной характеристикой тиристора является его ударный ток. Это максимальный ток, который способен выдерживать тиристор. Его значение в 10 или 20 раз превышает действующий ток тиристора и вызывает увеличение температуры прибора в локальных областях в 3 или 4 раза по сравнению с температурой в номинальном режиме.

1.2.3. Включение и выключение

Когда на управляющий электрод прямосмещенного тиристора, находящегося в закрытом состоянии, подается импульс тока, тиристор переходит во включенное состояние (рис. 1.4). Время включения состоит из трех составляющих: во-первых, время задержки, при котором уровень приложенного напряжения заметно не изменяется, считая от начала импульса управления; во-вторых, время нарастания, начиная от того момента, когда анодное напряжение соответствует 90%, и до момента, когда оно уменьшается до 10% начального значения; в-третьих, время распространения, в течение которого напряжение во включенном состоянии достигает своего стационарного значения и проводящая плазма распространяется по всей площади прибора. Время включения обычно определяется суммой времени задержки и времени нарастания, а его значение зависит как от максимального значения анодного напряжения, так и от скорости нарастания тока управления и достигает нескольких микросекунд. В течение 12

Анодное напртение

Анодный ток

Время Бремя Время

задермки подъема распространения

Рис. 1.4. Характеристики включения тиристора

времени включения мощность, рассеиваемая тиристором, может быть очень высокой. При работе прибора на высокой частоте ток управления обычно увеличивают в пределах допустимой номинальной мощности для того, чтобы уменьшить время включения.

Допустимая скорость нарастания анодного тока di/dt является также критическим параметром, максимально допустимое значение которого возрастает при увеличении тока управления. Если анодный ток возрастает слишком быстро, выделяется большая рассеиваемая мощность и прибор может разрушиться из-за локального перегрева. Локальный перегрев обусловлен высокой плотностью тока, вызванной большой скоростью нарастания анодного тока di/dt и конечной скоростью распространения проводящей плазмы (этот эффект рассматривается в § 2.3.).

Выключение тиристора происходит в тот момент, когда анодный ток снижается ниже критического уровня, называемого током удержания. В большинстве практических применений анодный ток уменьшается с некоторой скоростью di/dt практически до нуля и становится отрицательным при приложении обратного напряжения (рис. 1.5). Обратный ток будет протекать до тех пор, пока весь накопленный заряд тиристора не исчезнет.

Если прямое напряжение повторно прикладывается сразу после прохождения тока через нуль, тиристор снова будет включаться за счет протекания тока, обусловленного сохранением накопленного заряда. Если при обратном смещении достаточно времени для полного исчезновения накопленного заряда, то приложение повторного напряжения не будет приводить к включению тиристора. Время выключения прибора лежит в пределах от нескольких микросекунд для низковольтных приборов до нескольких сотен микросекунд для высоковольтных приборов,