Тиристора. Тиристоры: принцип работы, виды, характеристики и применение

Что такое тиристор и как он работает. Какие бывают типы тиристоров. Каковы основные характеристики тиристоров. Где применяются тиристоры в электронике и энергетике. Каковы преимущества и недостатки использования тиристоров.

Что такое тиристор и как он работает

Тиристор — это полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой, состоящей из чередующихся слоев полупроводников p- и n-типа. Он имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод (затвор).

Основной принцип работы тиристора заключается в следующем:

• В закрытом состоянии тиристор блокирует протекание тока.
• При подаче управляющего сигнала на затвор тиристор открывается и начинает проводить ток.
• После открытия тиристор продолжает проводить ток даже при снятии управляющего сигнала.
• Для закрытия тиристора необходимо снизить протекающий через него ток ниже определенного уровня.

Таким образом, тиристор работает как управляемый переключатель, позволяющий контролировать мощные токи с помощью слабых управляющих сигналов.

Основные типы тиристоров

Существует несколько разновидностей тиристоров, отличающихся конструкцией и характеристиками:

• Обычные (SCR) — классические тиристоры с тремя выводами.
• Симисторы — способны проводить ток в обоих направлениях.
• GTO-тиристоры — могут выключаться подачей отрицательного импульса на затвор.
• IGCT — интегрированные тиристоры с коммутацией через затвор.
• Фототиристоры — управляются световым сигналом.
• Двухоперационные — допускают выключение через затвор.

Выбор конкретного типа тиристора зависит от требований к коммутируемой мощности, быстродействию, способу управления и других параметров.

Характеристики и параметры тиристоров

Основными характеристиками тиристоров являются:

• Максимальное блокирующее напряжение — предельное напряжение, которое тиристор выдерживает в закрытом состоянии.
• Максимальный рабочий ток — предельный ток, который может протекать через открытый тиристор.
• Время включения — промежуток времени от подачи управляющего сигнала до полного открытия тиристора.
• Время выключения — время, необходимое для перехода тиристора в закрытое состояние после снижения тока.
• Управляющий ток и напряжение — параметры сигнала, необходимого для включения тиристора.
• Критическая скорость нарастания тока и напряжения — максимально допустимая скорость изменения тока и напряжения.

Эти характеристики важно учитывать при выборе тиристоров для конкретных применений.

Области применения тиристоров

Благодаря способности коммутировать большие мощности, тиристоры широко применяются в силовой электронике и энергетике:

• Регуляторы переменного напряжения и мощности
• Управление электродвигателями
• Зарядные устройства
• Сварочные аппараты
• Источники бесперебойного питания
• Преобразователи частоты
• Системы плавного пуска двигателей
• Коммутационная аппаратура
• Импульсные источники питания

Тиристоры позволяют эффективно управлять электроэнергией в широком диапазоне мощностей — от бытовых приборов до промышленных установок.

Преимущества использования тиристоров

Тиристоры обладают рядом важных достоинств по сравнению с другими коммутационными устройствами:

• Высокая коммутируемая мощность при малых размерах
• Возможность управления большими токами слабыми сигналами
• Высокая надежность и длительный срок службы
• Высокое быстродействие
• Отсутствие подвижных частей
• Бесшумность работы
• Малые потери в открытом состоянии
• Возможность параллельного и последовательного соединения

Эти преимущества обеспечивают широкое применение тиристоров в современной силовой электронике.

Недостатки и ограничения тиристоров

Несмотря на множество достоинств, тиристоры имеют и некоторые недостатки:

• Сложность выключения — требуется снижение тока ниже определенного уровня
• Чувствительность к скорости нарастания тока и напряжения
• Относительно большое падение напряжения в открытом состоянии
• Необходимость защиты от перенапряжений
• Сложность работы на высоких частотах
• Возможность самопроизвольного включения при быстром росте напряжения

Эти ограничения необходимо учитывать при проектировании устройств на тиристорах и принимать соответствующие меры для их компенсации.

Перспективы развития тиристорных технологий

Несмотря на появление новых типов силовых полупроводниковых приборов, тиристоры продолжают активно развиваться и совершенствоваться:

• Увеличение предельных коммутируемых токов и напряжений
• Повышение быстродействия и улучшение динамических характеристик
• Снижение потерь в открытом состоянии
• Разработка новых конструкций и технологий производства
• Создание «интеллектуальных» тиристоров с интегрированными схемами управления
• Применение новых полупроводниковых материалов (карбид кремния и др.)

Эти тенденции позволяют расширять области применения тиристоров и повышать эффективность устройств на их основе.

Что такое тиристор, как работает, типы, применения, преимущества и недостатки

В этом посте мы попытаемся понять, что такое тиристор, как он работает, его характеристики, режимам работы, применения, преимущества и недостатки.

Тиристор в основном представляет собой двухпозиционный переключатель для управления выходной мощностью электрической цепи путем включения и выключения цепи нагрузки в определенные промежутки времени.

Что такое тиристор

Тиристор представляет собой однонаправленное полупроводниковое твердотельное устройство с четырьмя слоями чередующегося материала P и N-типа.  Он состоит из трех электродов: анода, катода и затвора. Анод — это положительный конец, а катод — это отрицательный конец.

Вход контролируют поток тока между анодом и катодом. Он используется в электронных устройствах и оборудовании для контроля электроэнергии или тока. Он действует как выпрямитель и может передавать ток только в одном направлении.

Первый тиристор был выпущен в 1956 году. Самым распространенным типом тиристоров является кремниевый управляемый выпрямитель (SCR).

Купить тиристор на Алиэкспресс вы можете нажав на картинку ниже:

Как работает тиристор

Тиристор действует как диод. Он состоит из двух слоев полупроводников, а именно p-типа и n-типа, расположенных между собой для образования соединения. Анод соединен с внешним p-слоем, катод с внешним n-слоем и затвором с внутренним p-слоем. Он имеет 3 соединения, а именно J1, J2, J3.

Когда анод имеет положительный потенциал относительно катода, на затвор не подается напряжение. Соединения J1, J3 смещены в прямом направлении, а J2 — в обратном.  Так что никакой проводимости здесь не происходит.

Теперь, когда положительный потенциал увеличивается за пределами напряжения пробоя, происходит пробой соединения J2, и он начинает проводить ток. Как только происходит пробой, он продолжает проводить независимо от напряжения на затворе, пока потенциал на аноде не будет удален или ток через устройство не станет меньше, чем ток удержания.

Теперь, когда положительный потенциал приложен к клемме затвора по отношению к катоду, происходит пробой соединения J2. Чтобы быстро включить тиристор, необходимо выбрать соответствующее значение потенциала.

Вход действует как управляющий электрод. Когда небольшое напряжение, известное как импульс затвора, подается на его затвор, устройство переключается в состояние проводимости. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на устройстве не изменится или не будет снято.

Ток запуска затвора изменяется обратно пропорционально напряжению затвора, и для его запуска требуется минимальный заряд затвора.  Таким образом, переключением тиристоров можно управлять через его импульс затвора.

Двухтранзисторная аналогия тиристора

Ток коллектора от NPN-транзистора подается непосредственно на базу PNP-транзистора, а ток коллектора PNP-транзистора подается на базу NPN-транзистора. Эти соединенные транзисторы полагаются друг на друга для проводимости.

Таким образом, для проведения одного из транзисторов требуется базовый ток. Когда анодный вывод тиристора является отрицательным по отношению к катоду, NP-переход становится смещенным вперед, а PN-переход становится обратным смещением.

Два транзисторных аналога тиристора

Здесь поток обратного тока блокируется до тех пор, пока не будет приложено напряжение пробоя. После пробивного напряжения оно начинает проводить без подачи сигнала затвора. Это одна из отрицательных характеристик тиристоров, так как она запускает проводимость при обратном разрыве напряжения.

Когда анодный вывод сделан положительным по отношению к катоду, внешние переходы смещены в прямом направлении, а центральный переход NP смещен в обратном направлении и блокирует прямой ток.  Таким образом, чтобы вызвать его в проводимости, положительный ток прикладывается к базе транзисторов.

Два транзистора соединены в регенеративном контуре, и это заставляет транзистор проводить насыщение. Таким образом, можно сказать, что тиристоры блокируют ток как в направлении источника переменного тока в выключенном состоянии, так и могут включаться путем приложения положительного тока к базе транзистора.

Характеристики Тиристора

Тиристоры могут иметь прямое или обратное смещение. Посмотрим, как это работает в обоих направлениях.

Тиристоры в состоянии смещения вперед

Когда анод становится положительным, PN-соединения на концах смещены вперед, а центральное соединение (NP) становится смещенным назад. Он будет оставаться в заблокированном (ВЫКЛ) режиме (также известном как этап прямой блокировки) до тех пор, пока он не будет вызван импульсом тока затвора или приложенное напряжение не достигнет напряжения прямого отключения.

Запуск по импульсу тока затвора — Когда он запускается импульсом тока затвора, он начинает проводить и будет действовать как переключатель замыкания.  Тиристоры остаются во включенном состоянии, то есть остаются в заблокированном состоянии. Здесь вход теряет контроль, чтобы выключить устройство.

Запуск по напряжению прямого отключения — Когда подается прямое напряжение, ток утечки начинает протекать через блокировку (J2) в среднем соединении тиристоров. Когда напряжение превышает прямое отключение перенапряжения или критического предела, то J2 выходит из строя и достигает состояния ON.

Когда ток затвора (Ig) увеличивается, он уменьшает площадь блокировки и, таким образом, уменьшается прямое отключающее напряжение. Он включится, когда будет поддерживаться минимальный ток, называемый запирающим током.

Когда ток затвора Ig = 0 и ток анода падают ниже определенного значения, называемого удерживающим током, во время состояния ВКЛ, он снова достигает своего состояния прямой блокировки.

Тиристоры в обратном смещенном состоянии

Если анод является отрицательным по отношению к катоду, то есть с приложением обратного напряжения, оба PN-перехода на конце, то есть J1 и J3, становятся смещенными в обратном направлении, и центральное соединение J2 становится смещенным в прямом направлении.  Через него протекает только небольшой ток утечки. Это режим блокировки обратного напряжения или выключенное состояние тиристора.

Когда обратное напряжение увеличивается еще больше, то при определенном напряжении происходит лавинный пробой J1 и J2, и он начинает проводить в обратном направлении. Максимальное обратное напряжение, при котором тиристор начинает проводить ток, называется обратным напряжением пробоя.

• Тиристор блокирует напряжение как в прямом, так и в обратном направлении, и, таким образом, образуется симметричная блокировка.
• Тиристор включается при приложении положительного тока затвора и выключается, когда напряжение на аноде падает до нуля.
• Небольшой ток от затвора к катоду может запустить тиристор, изменив его с разомкнутой цепи на короткое замыкание.

Режимы работы тиристора

Тиристор имеет три режима работы:

• Блокировка вперед
• Обратная блокировка
• Прямая проводимость

Блокировка вперед

В этом состоянии или режиме прямая проводимость тока блокируется. Верхний диод и нижний диод смещены в прямом направлении, а соединение в центре — в обратном направлении. Таким образом, тиристор не включается, поскольку затвор не срабатывает, и через него не протекает ток.

Обратная блокировка

В этом режиме соединение анода и катода меняется на обратное, и через него по-прежнему не протекает ток. Тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, и он блокирует в обратном направлении, поэтому поток тока блокируется.

Прямая проводимость

При подаче тока на затвор срабатывает тиристор, и он начинает проводить ток. Он остается включенным до тех пор, пока прямой ток не упадет ниже порогового значения, и этого можно достичь, отключив цепь.

Типы тиристоров

Основываясь на возможностях включения и выключения и физической структуре, тиристоры классифицируются как:

• Тиристоры с силиконовым управлением (SCR)
• Тиристор отключения эмиттера (ETO)
• Тиристоры с быстрым переключением (SCR)
• Светоактивированные кремниевые выпрямители (LASCR)
• Ворота отключают тиристоры (GTO)
• Тиристоры с обратной проводимостью (RCT)
• Тиристоры с управлением FET (FET-CTH)
• MOS-контролируемый тиристор (MTO)
• Двунаправленные фазово-управляемые тиристоры (BCT)

Применение тиристора

Тиристор используется в различных применениях, таких как:

• В основном используется в двигателях с переменной скоростью.
• Используется для управления электроприводом высокой мощности.
• Используется в основном в двигателях переменного тока, светильниках, сварочных аппаратах и ​​т. Д.
• Используется в ограничителе тока короткого замыкания и выключателе.
• Быстрая скорость переключения и низкая проводимость возможны в тиристоре ETO.
• Используется в качестве диммеров на телевидении, в кинотеатрах.
• Используется в фотографии для вспышек.
• Может использоваться в охранной сигнализации.
• Используется в регулировании скорости вращения электрического вентилятора.
• Используется в автомобильных зажиганиях.

Преимущества тиристора

Преимущества тиристора включают в себя:

• Бюджетный.
• Может быть защищен с помощью предохранителя.
• Может обрабатывать большое напряжение / ток.
• Способен контролировать мощность переменного тока.
• Очень легко контролировать.
• Легко включить.
• Тиристор GTO или Gate Turnoff обладает высокой эффективностью.
• Занимает меньше времени на работу.
• Тиристорные выключатели могут работать с большой частотой.
• Требует меньше места по сравнению с механическими переключателями.
• Может использоваться для надежных операций.
• Стоимость обслуживания тиристора очень меньше.
• Очень прост в использовании для сложного управления.
• Грузоподъемность очень хорошая.
• Может использоваться в качестве генератора в цифровых цепях.
• Может быть подключен параллельно и последовательно для обеспечения электронного управления на высоких уровнях мощности.
• Тиристоры проводят ток только в одном направлении.
• Он может использоваться как защитное устройство, как предохранитель в линии электропередачи.

Недостатки тиристора

К недостаткам тиристора можно отнести:

• Не может использоваться для более высоких частот.
• В цепи переменного тока тиристор должен быть включен на каждом цикле.
• SCR требуется время для включения и выключения.  Это вызывает задержку или повреждение в нагрузке.
• Он может остановить двигатель при подключении, но не может удерживать его в неподвижном состоянии.
• Скорость отклика тиристора очень низкая.
• Не часто используется в цепях постоянного тока, так как тиристор нельзя отключить, просто сняв привод затвора.
• Низкая эффективность.
• Ток фиксации и удержания больше в тиристоре GTO.
• Возможность обратной блокировки напряжения меньше возможности прямой блокировки.
• Надежность тиристора TRIAC меньше, чем SCR.
• TRIAC имеют более низкий рейтинг dv / dt по сравнению с SCR.

Мощные высоковольтные тиристоры для импульсных применений, производства «Протон-Электротекс»

Разработка полупроводниковых ключей, способных коммутировать короткие импульсы тока амплитудой от десятков до сотен килоампер, актуальна для развития импульсных источников питания мощной электрофизической аппаратуры. Импульсные тиристоры широко применяются в качестве таких ключей [1].

Заказчики предъявляют к мощным импульсным тиристорам ряд специфических технических требований [2-5], которым не может удовлетворить обычный серийный тиристор. К таким требованиям, в частности, относятся:

1. Коммутация импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс. Типичные требования — 2000 −10000 А/мкс.
2. Коммутация коротких импульсов тока высокой амплитуды. Отношение амплитуды тока в коммутируемом импульсе к величине среднего тока тиристора может достигать числа 100 и более.
3. Синхронное включение тиристоров в составе последовательной сборки при коммутации импульсов тока с высокой скоростью нарастания.

При коммутации импульсов со скоростью нарастания тока (di/dt) свыше 1000 А/мкс, возникают существенные затруднения, связанные с неодновременным включением тиристорного элемента по всей площади.

Кардинальным решением этой проблемы является использование тиристоров с ячеистой «многоэмиттерной» топологией, применяемой для Gate Turn-Off thyristors (GTO) и Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT) [6], т.к. вследствие малого поперечного размера каждой эмиттерной ячейки такой тиристор включается практически одновременно по всей площади. Однако, для такого прибора, значительная часть площади (50% и более) используется для размещения области управления (gate) и не участвует в проведении тока, что сильно снижает допустимую амплитуду импульса тока.

Другим решением является применение специального импульсного прибора Реверсивно Включаемого Динистора (РВД) [7]. Включение такого прибора также происходит по всей площади, что позволяет достигать наибольших на сегодняшний день для полупроводниковых ключей амплитуд импульсного тока [8]. Недостатком является весьма сложная аппаратура, необходимая для запуска РВД, по своей стоимости сопоставимая со стоимостью основного ключа.

Таким образом актуален поиск конструктивно-технологических решений, позволяющих увеличить допустимый импульсный ток «традиционного» импульсного тиристора. Ниже рассмотрен комплекс технических решений, позволивший создать импульсный тиристор, способный коммутировать импульсы тока с экстремально высокой амплитудой в важном для практических применений диапазоне длительности 100-1000 мкс.

Особенности конструкции и технологии изготовления

Полупроводниковые слои.

Низколегированная p-база. В полупроводниковом элементе реализована относительно низколегированная p-база (слоевое сопротивление под n-эмиттером 500-1000 Ом/квадрат). При этом диффузионные процессы ее формирования оптимизированы таким образом, чтобы получить максимальное «встроенное тянущее электрическое поле» в пределах этого слоя. Это позволяет минимизировать время пролета p-базы электронами, инжектированными из n-эмиттера и получить минимальные значения времени задержки включения. Следовательно, при каскадном включении (вспомогательный тиристор — основной тиристор), становится минимальным время, когда ток проводит только вспомогательный тиристор, что существенно увеличивает di/dt — стойкость.

Соответственно, имеется возможность кардинально снизить разброс задержек включения тиристоров в последовательной сборке.

На рис. 1 приведена типичная зависимость времени задержки включения для экспериментального тиристора от значения исходного блокирующего напряжения.

Рис. 1. Типичная зависимость времени задержки включения от анодного напряжения. Скорость нарастания тока управления 2А/мкс, скорость нарастания анодного тока 5000 А/мкс.

Видно, что время задержки включения не только мало по своей абсолютной величине, но, вдобавок, монотонно уменьшается при увеличении анодного напряжения, что объясняется уменьшением времени пролета носителей заряда через базовые слои тиристора при увеличении исходного анодного напряжения.

Такая зависимость времмени задержки включения приводит к «конвергенции» разброса времени включения при работе тиристоров в последовательном соединении. Разброс времен включения отдельных тиристоров в последовательной сборке приводит к перераспределению напряжений между тиристорами на начальном этапе включения: на тиристорах с меньшими значениями tdon анодное напряжение уменьшается, а на тиристорах с большими значениями tdon — увеличивается.

При этом, значения tdon при работе в последовательной сборке, в соответствии с зависимостью от напряжения (см. рис. 1) будут уменьшаться или увеличиваться, по сравнению со значением, измеренным на отдельных тиристорах. Таким образом, при работе тиристоров в последовательном соединении происходит некоторое сужение диапазона разброса значений задержек включения по сравнению с таковым, измеренным на отдельных тиристорах, составляющих сборку.

Исследования [9] показали, что, при типичной для импульсных тиристороров «Протон — Электротекс» «негативной» зависимости tdon от анодного напряжения, диапазон разброса значений tdon при работе в последовательном столбе сужается примерно в два раза.

P-эмиттер с контролируемой эффективностью. В полупроводниковом элементе «традиционного» силового тиристора обычно выдерживается отношение толщины n-базы (Wn) и значения амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в этом слое (L) не менее 3 (Wn/L>3). Это соотношение обусловлено необходимостью иметь вполне определенный (на уровне ~0.8 при высоком напряжении) коэффициент усиления по току p-n-p транзистора в составе четырехслойной тиристорной структуры для обеспечения требуемых значений блокирующих напряжений и du/dt — стойкости. При этом, однако, во включенном состоянии, распределение по толщине структуры концентрации избыточных электронно-дырочных пар существенно неоднородно, а, следовательно, неоднородно и распределение напряженности электрического поля (см. рис. 2).

В импульсных тиристорах производства «Протон-Электротекс» для поддержания требуемого значения коэффициента усиления по току p-n-p транзистора применяется p-эмиттер специальной конструкции — так называемый полупрозрачный эмиттер (transparent emitter). Используемые диффузионные технологии его формирования вместе с низкотемпературной технологией формирования анодного омического контакта (синтеринг) позволяют с высокой степенью воспроизводимости регулировать его коэффициент инжекции и добиться его малого разброса по площади силовой полупроводниковой структуры.

Применение p-эмиттера с контролируемой эффективностью позволяет уменьшить соотношение Wn/L до 1 и менее. В результате получаем более равномерное распределение напряженности электрического поля по толщине структуры (см. рис. 2).

Т.к. объемная плотность мощности потерь является произведением напряженности электрического поля на плотность тока, то для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности имеем меньшую локальную плотность мощности потерь (и плотность энергии потерь), чем для структуры традиционного тиристора при идентичном падении напряжения. Для коротких импульсов тока, когда процессы тепловыделения можно считать адиабатическими, это приводит к примерно на 20% меньшему локальному перегреву для структуры с p-эмиттером контролируемой эффективности.

Таким образом энергия, применение этого конструктивно-технологического решения позволяет в сравнении с «традиционным» тиристором, обладающим идентичной ВАХ во включенном состоянии, получить до 20% преимущества по допустимой энергии потерь при коммутации коротких импульсов тока с высокой амплитудой.

Рис. 2. Распределения концентрации избыточных электронно-дырочных пар (а) и напряженности электрического поля (б) по толщине кремниевой тиристорной структуры с эмиттером контролируемой эффективности (1) и структуре «традиционного тиристора» (2). Тиристорные структуры во включенном состоянии, проводят ток плотностью 2000 А/см2, имеют при этом идентичное падение напряжения 5.0 В.

Топология

Управляющий электрод с высокой степенью разветвления, позволяет безопасно коммутировать импульсы тока с высокой скоростью нарастания и осуществлять быстрое включение тиристорной структуры по всей активной площади.

Применяемые топологии и достижимые импульсные характеристики приведены в Табл 1. Для тиристорных элементов каждого диаметра разработаны и применяются по два варианта топологии: с «максимальным» и с «оптимальным» разветвлением. Вариант с максимальным разветвлением предназначен для коммутации импульсов тока с наибольшей скоростью нарастания, однако из-за больших потерь площади на размещение управляющего электрода уступает второму варианту по допустимой амплитуте импульсов тока при длительности этих импульсов более 200…300 мкс. Вариант с «оптимальным» разветвлением оптимизирован для коммутации импульсов тока максимальной амплитуды при длительностях свыше 300 мкс. Эта топология рассчитана таким образом, чтобы при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания 3-8 кА/мкс разброс плотности энергии потерь и температуры перегрева по площади полупроводниковой структуры был незначительным.

В качестве примера на рис. 3 приведены расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4,5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Зависимости приведены для тиристора 28 класса с диаметром элемента 100 мм.

Рис. 3. Расчетные зависимости плотности тока от времени для точек тиристорной структуры, расположенных на разном удалении от границы разветвленного управляющего электрода, при коммутации импульса тока со скоростью нарастания 4.5 кА/мкс и амплитудой 250 кА. Тип тиристора: диаметр элемента 100 мм, UDRM=URRM=2800В.

Из рисунка видно, что плотность тока в процессе распространения включенного состояния не превышает максимума, который соответствует максимальному значению анодного тока.

Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками приведена на рис. 4. Видно, что максимальная разница температуры между горячей и холодной точками не превышает 18°С. Она достигается в момент времени полного включения всей площади полупроводниковой структуры и далее уменьшается с тесением времени. В момент достижения абсолютного максимума температуры (400 мкс) разница температуры снижается примерно до 10°С. При этом следует иметь в виду, что температура абсолютного максимума эквивалентной структуры, включающейся одновременно по всей площади (например РВД) будет лежать между температурами горячей и холодной точек тиристора.

Следовательно локальный перегрев тиристорной структуры относительно РВД в приведенном режиме не превысит 5-7°С.

Рис.4. Зависимость от времени разности температур между наиболее нагретой (х=0) и наиболее холодной (удаленной от управляющего электрода X5) точками тиристорной структуры.

«Распределенный» вспомогательный тиристор. Конструкция современного тиристора с большой площадью кремниевого элемента как правило содержит разветвленный управляющий электрод (РУЭ) и вспомогательный (усилительный) тиристор (ВТ), катод которого соединен с РУЭ, а анод — общий с основной тиристорной структурой. Назначение ВТ — сформировать «усиленный» импульс тока управления, подающийся на РУЭ, который имеет значительную длину периметра. Обычно структура ВТ формируется в виде достаточно узкого кольца, шириной около 1 мм, окружающего основной управляющий электрод тиристора. Для функционирования тиристора в обычных режимах этого достаточно, т.к. после включения основного тиристора по периметру РУЭ происходит быстрый «перехват» анодного тока и ВТ либо отключается, либо плотность тока в нем снижается до «безопасных» пределов.

Однако, при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания свыше 1000 А/мкс, как показали исследования, снижение плотности тока, протекающего через ВТ происходит достаточно медленно, а амлитуда тока может достигать значительных величин.

Чтобы «разгрузить» структуру ВТ, т.е уменьшить плотность протекающего через него тока, на импульсных тиристорах «Протон-Электротекс» применяется т.н. распределенный ВТ, представляющий из себя «полноценную тиристорную структуру, площадью около 0,5 кв.см для элементов диаметром 56 мм и около 1-2 кв. см. для элементов диаметром 80-100 мм (рис. 5). Исследования показали, что применение подобной структуры ВТ позволяет снизить локальный перегрев этой структуры до величины, меньшей, чем максимальный перегрев основной структуры.

Рис.5. Кремниевый элемент импульсного тиристора с «распределенным» ВТ и «мелкой» катодной шунтировкой.

«Мелкая» катодная шунтировка. Применена распределенная катодная шунтировка n-эмиттера с размером элементарного шунта около 100 мкм. Типичная величина амбиполярной диффузионной длины электронно-дырочных пар в n-базе составляет около 400 мкм. Таким образом, применив такую шунтировку, удается получить равномерное распределение концентрации избыточных-электронно-дырочных пар без локальных «провалов» под местами расположения катодных шунтов и, следовательно, использовать всю активную площадь тиристорной структуры для проведения тока.

Контакты

Контакт анода полупроводниковой структуры с молибденовым диском-термокомпенсатором осуществляется с помощью технологии низкотемпературного спекания на слой мелкодисперсной серебряной пасты (синтеринг) [10]. Эта технология представляет собой процесс низкотемпературного (около 250С) спекания серебряной пасты практически в монолитное серебро. В применении к импульсным тиристорам дает следующие преимущества.

— Процесс идет при 250С, а традиционно применяемый для соединения с молибденовым диском процесс сплавления (вакуумной пайки на силумин) — при около 700°С. Поэтому после синтеринга получаем в «пакете» кремний-молибден значительно меньшие остаточные деформации и внутренние механические напряжения. В результате — повышение ресурса по циклостойкости [11-12] (а для режимов коммутации токов с требуемой амплитудой это архиважно, т.к. пропускание каждого импульса тока сопровождается очень жестким термоциклом как раз для соединения кремний-молибден, т.к. кремний разогревается более, чем до 200°С, а молибденовый диск за исключением неглубокого слоя, прилегающего к кремнию, остается холодным.

— При традиционном процессе сплавления поверхностные слои кремниевой структуры растворяются силумином. При этом становится невозможным гарантировать идентичность свойств анодного эмиттера на площади структуры (даже в случае, если это традиционный не «полупрозрачный» p-эмиттер). В результате для традиционной технологии имеем повышенный разброс плотности тока по площади структуры. Технология синтеринга этот недостаток исключает [13].

— В традиционном процессе сплавления чрезвычайно сложно добиться равномерного остывания по всей площади структуры (особенно, если эта площадь большая). В результате, процесс кристаллизации силумина в соединительном шве начинается, обычно, с периферии и, затем распростаняется в направлении центра дискообразного пакета кремний-молибден. Это приводит к неравномерности толщины шва по диаметру, см. рис. 6.

Рис. 6. Неравномерность толщины «сплавного» шва по диаметру, возникающая из-за неравномерного остывания при кристаллизации силумина

Наличие такой неоднородности толщины шва мало влияет на свойства анодного контакта, однако может серъезно ухудшить катодный (прижимной) контакт.

В технологии синтеринга высокая равномерность толщины шва гарантирована.

Прижимной катодный контакт. Для обеспечения надежного прижимного катодного контакта применяется катодная прокладка из молибдена со специальным покрытием. Выбор сделан в результате длительных и объемных исследований разных вариантов материалов и покрытий. Применяемая прокладка обеспечивает высокую циклостойкость контакта, малое электрическое и тепловое сопротивление, отсутствие деградации при длительной эксплуатации, в том числе при коммутации большого числа (свыше 100000) импульсов тока высокой амплитуды. Рассмотренные выше конструктивно-технологические решения известны и, по отдельности, применяются для улучшения импульсных свойств тиристоров рядом фирм — производителей. Однако, только совокупность этих технических решений, примененная с учетом современных технологических возможностей, позволила «Протон-Электротекс» организовать серийное производство импульсных тиристоров с уникальным набором характеристик. В качестве примера ниже приведены результаты испытаний экспериментального импульсного ключа на базе последовательной сборки тиристоров 28 класса с диаметром полупроводникового элемента 100 мм [14].

Экспериментальный ключ на импульсных тиристоразх.

Экспериментальные импульсные тиристоры, с повторяющимся импульсным блокирующим напряжением 2800В были изготовлены с применением описанных выше технических решений.

Тиристоры имели кремниевый элемент диаметром 100 мм, который изготавливался на пластинах нейтроннолегированного кремния с удельным сопротивлением 120 Ом*см, толщиной 580 мкм. Топология управляющего электрода показана в табл. 1 (п.5). Эта топология обеспечивает оптимальное время включения тиристора по всей площади при коммутации импульсов, близких по форме к полуволне синусоиды, длительностью 300-1000 мкс. При этом потери площади на размещение области управления минимизированы и составляют всего около 14%, активная площадь тиристорного элемента составляет около 55 см2. Тиристоры имели таблеточную конструкцию корпуса.

Экспериментальный тиристорный ключ состоял из 10 тиристоров в последовательной сборке, рис 7., и вспомогательной сборке из встречнопараллельных диодов.

Рис. 7. Экспериментальный тиристорный ключ.

Испытания проводились в разрядном R-L-C контуре, рис. 8 при начальном напряжении на конденсаторах 24 кВ. Форма импульсов тока и напряжения при разряде показана на рис. 9. При испытаниях ключ устойчиво коммутирует импульсы тока с амплитудой до 250 кА и скоростью нарастания около 4.5 кА/мкс.

Рис. 9. Анодный ток и напряжение на тиристорном ключе.

Таблица 1

Топологии разветвленного управляющего электрода

№	Диам. эл-та, мм	Вид топологии	Допустимая di/dt, А/мкс	Тип. время полного включения, мкс	I2t, А2с
1	56		4000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)	40…60	3,0E6 (UDRM=2800 В) 1,8E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
2	56		6000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 10 кА)	20…30	2,3E6 (UDRM=2800 В) 1,4E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
3	80		6000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	40…60	17,0E6 (UDRM=2800 В) 10,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
4	80		10000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	20…30	10,0E6 (UDRM=2800 В) 6,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
5	100		10000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	40…60	37,0E6 (UDRM=2800 В) 24,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды
6	100		15000 (Трапециедальный импульс длительностью 100мкс по основанию, амплитуда 20 кА)	20…30	26,0E6 (UDRM=2800 В) 16,0E6 (UDRM=4400 В) Tj=25C, 10мс, полуволна синусоиды

Литература

[1] M.E.Savage «Final Results From the High-Current, High-Action Closing Switch Test Program at Sandia National Laboratories», IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 28, no. 5, pp. 1451-1455, Oct. 2000.
[2] H. Singh and C. R. Hummer «High action thyristors for pulse power applications», in 12th IEEE Pulse Power Conference, June 1999.
[3] S. Ikeda and T. Araki, » The di/dt capability of thyristors«, Proc. IEEE, no. 8, pp. 1301-1305, 1967.
[4] S.S. Asina, A.M. Surma, «A new design-technology technique for optimization of high power pulse thuristor characteristics», in ELECTRIMACS Conference, Saint-Nazaire, Sept. 1996, pp. 485-490.
[5] W.H. Tobin, «Effect of gate configuration on thyristor plasma properties», in IEE IAS Conference Record, IEE IAS Annual Meeting, 1978.

[6] Linder S., Klaka S. et al., «A New Range of Reverse Conducting Gate-Commutated Thyristors for High Voltage, Medium Power Applications», in EPE’97 Conference, pp. 1.117 — 1.124. 1997.
[7] A. V. Gorbatyuk, I. V. Grekhov, and A. V. Nalivkin, «Theory of quasidiode operation of reversely switched dinistors», Solid-State Electron., vol. 31 , pp. 1483-1491, 1988.
[8] S A. Belyaev, V.G. Bezuglov et al., «New Generation of High — Power Semiconductor Closing Switches for Pulsed Power Applications» in ICPIG Conference, Prague, July 2007.
[9] Chernikov A. A., Goncharenko V. P., Mizintsev A. V., Surma A. M., Titushkin D. A., «Pulse thyristors adapted for synchronous switching-on in series connection during the commutation of current with high rate of rise» in EPE ECCE Conference, Warsaw, September 2017.
[10] H. Schwarzbauer, «Novel Large Area Joining Technique for Improved Power Device Performance», IEEE Transactions on Industrial Applications, 27 (1), 1991, p. 93- 95.
[11] Amro R.; Lutz J. et al. «Power Cycling at High Temperature Swings of Modules with Low Temperature Joining Technique», in ISPSD Conference,Naples, 2006.
[12] C. Göbl, P. Beckedahl, H. Braml, «Low temperature sinter technology Die attachment for automotive power electronic applications» in Automotive Power Electronics Conference, Paris, June 2006, pp. 2-5.
[13] D. Titushkin, A. Surma, «New ways to produce fast power thyristors», Bodo’s Power Systems 08, 2015, p. 28- 29.
[14] Chernikov A. A., Goncharenko V. P., Mizintsev A. V., Surma A. M., Titushkin D. A., «Thyristors for commutation of current impulse with extremely high amplitude» in APEC Conference, Tampa, March 2017.

Черников А.А., Гончаренко В. П., Мизинцев А. В., Сурма А. М., Титушкин Д. А.
АО «Протон — Электротекс», OOO «НИИЭФА ЭНЕРГО»

Тиристор SCR (управляемый кремниевый выпрямитель)

Добавлено 8 октября 2018 в 20:57

Сохранить или поделиться

Динисторы (диоды Шокли) и тиристоры SCR (Silicon Controlled Rectifiers, управляемые кремниевые выпрямители)

Динисторы (диоды Шокли) – это довольно любопытные устройства, но довольно ограниченные в применении. Однако их полезность может быть расширена путем оснащения их другим средством отпирания. При этом каждый из них становится настоящим усилительным устройством (только если в режиме отпирания/запирания), и мы называем их кремниевыми управляемыми выпрямителями (silicon-controlled rectifier) или SCR тиристорами.

Тиристор SCR (silicon-controlled rectifier, кремниевый управляемый выпрямитель), или просто тринистор

Развитие от динистора до тринистора достигается с помощью одного небольшого дополнения, фактически не более чем третьего подключения к существующей структуре PNPN (рисунок ниже).

Тиристор SCR (управляемый выпрямитель, тринистор)

Проводимость управляемых выпрямителей SCR (тринисторов)

Если управляющий электрод тринистора остается висящим в воздухе (неподключенным), он ведет себя точно так же, как динистор (диод Шокли). Он может быть отперт напряжением переключения или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, всё как у динистора. Запирание осуществляется за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не упадут в режим отсечки, всё как у динистора. Однако, поскольку управляющий вывод подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, он может использоваться как альтернативное средство отпирания тиристора SCR. Прикладывая небольшое напряжение между управляющим электродом и катодом, нижний транзистор будет открываться результирующим тока базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, а затем запитывать базу нижнего транзистора, поэтому он больше не будет нуждаться в активации напряжением управляющего электрода. Разумеется, необходимый для отпирания ток управляющего вывода будет намного ниже, чем ток через SCR тиристор от катода до анода, поэтому, используя SCR тиристор, можно добиться усиления.

Переключение/запуск

Данный метод обеспечения проводимости тиристора SCR называется запуском или переключением, и на сегодняшний день наиболее распространенным способом является тот, которым SCR тиристор отпирается в реальной практике. Фактически, SCR тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжения переключения находились далеко за пределами наибольшего напряжения, ожидаемого от источника питания, поэтому его можно включить (отпереть) только путем преднамеренного импульса напряжения, подаваемого на управляющий вывод.

Обратное переключение

Следует отметить, что SCR тиристоры иногда могут быть выключены (заперты) путем прямого замыкания управляющего вывода и вывода катода или с помощью «обратного переключения» управляющего вывода отрицательным напряжением (относительно катода), чтобы принудительно перевести нижний транзистор в режим отсечки. Я говорю, что это «иногда» возможно потому, что это включает в себя шунтирование всего тока верхнего транзистора через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть существенным, что в лучшем случае затрудняет запирание SCR тиристора. Вариация SCR тиристора под названием запираемый тиристор, или GTO (Gate-Turn-Off), облегчает эту задачу. Но даже с GTO тиристором ток управляющего электрода, необходимый для его отключения, может составлять до 20% от тока анода (нагрузки)! Условное обозначение GTO тиристора показано на рисунке ниже.

Условное обозначение GTO тиристора

SCR тиристоры против GTO тиристоров

Тиристоры SCR и GTO имеют одну и ту же эквивалентную схему (два транзистора, соединенные по принципу положительной обратной связи), единственными отличиями являются детали конструкции, предназначенные для предоставления NPN транзистору большего коэффициента β, чем у PNP транзистора. Это позволяет меньшему току управляющего электрода (прямому или обратному) осуществлять большую степень управления проводимостью от катода к аноду, причем открытое состояние PNP транзистора больше зависит от NPN транзистора, чем наоборот. Запираемый тиристор GTO также известен под названием тиристор GCS (Gate-Controlled Switch).

Проверка работоспособности SCR тиристора с помощью мультиметра

Элементарный тест работоспособности SCR тиристора или, по крайней мере, определение выводов, может выполняться измерителем сопротивления. Поскольку внутреннее соединение между управляющим электродом и катодом является PN переходом, мультиметр должен показывать целостность соединения между этими выводами с красным измерительным щупом на управляющем электроде и черным измерительным щупом на катоде следующим образом (рисунок ниже).

Элементарная проверка SCR тиристора

Все остальные измерения целостности соединений, выполненные на SCR тиристоре, будут показывать «разрыв» («OL» на дисплеях некоторых цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест очень груб и не является полной оценкой SCR тиристора. SCR тиристор может давать хорошие показания омметра и по-прежнему оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR тиристор – подвергнуть его нагрузочному току.

Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диода», показания напряжения перехода управляющий электрод — катод, которые вы получите, могут соответствовать, а могут и нет, тому, что ожидается от кремниевого PN перехода (примерно 0,7 вольта). В некоторых случаях вы будете получать показания намного более низкого напряжения перехода: сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом и включенным в некоторые SCR тиристоры. Этот резистор добавляется, чтобы сделать SCR тиристор менее восприимчивым к ложным срабатываниям из-за ложных импульсов напряжения, из-за «шума» схемы или из-за статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного к переходу управляющего электрода и затвора, требует большего переключающего сигнала (существенного тока) для отпирания SCR тиристора. Эта функция часто встречается в мощных SCR тиристорах, а не в маленьких. Не забывайте, что SCR тиристор с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом, будет показывать целостность соединения в обоих направлениях между этими двумя выводами (рисунок ниже).

У больших SCR тиристоров между управляющим электродом и катодом есть встроенный резистор

SCR тиристоры с чувствительным управляющим электродом

«Обычные» SCR тиристоры, лишенные внутреннего резистора, иногда называются SCR тиристорами с чувствительным управляющим электродом из-за их способности запускаться малейшим положительным сигналом на управляющем электроде.

Тестовая схема для SCR тиристора является практичной в качестве диагностического инструмента для проверки подозрительных SCR тиристоров, а также отличной помощью для понимания основ работы SCR тиристоров. Для питания схемы используется источник питания постоянного тока, а два кнопочных коммутатора используются для отпирания и запирания SCR тиристора (рисунок ниже).

Схема для проверки SCR тиристоров

Нажатие нормально разомкнутой кнопки «вкл» соединяет управляющий электрод с анодом, позволяя протекать току от отрицательного вывода батареи через PN переход катод — управляющий электрод, через кнопку, через резистор нагрузки, и обратно к батарее. Этот ток управляющего электрода должен заставить SCR тиристор отпереться, позволяя протекать току прямо от катода к аноду без дальнейшего отпирания через управляющий электрод. Когда кнопка «вкл» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

Нажатие нормально замкнутой кнопки «выкл» разрывает цепь, заставляя ток через SCR тиристор остановиться, тем самым вынуждая его запереться (величина тока ниже тока удержания).

Ток удержания

Если SCR тиристор не отпирается, проблема может быть связана с нагрузкой, а не с тиристором. Чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, требуется определенная величина тока нагрузки. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может и не набирать достаточный ток, чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, когда прекращается ток через управляющий электрод, что дает ложное впечатление о плохом (неотпираемом) SCR тиристоре в тестовой схеме. Значения тока удержания для разных SCR тиристоров доступны у производителей. Типовые значения тока удержания колеблются от 1 миллиампера до 50 миллиампер и более для больших тиристоров.

Чтобы проверка была исчерпывающей, необходимо протестировать более чем переключающее поведение. Прямое напряжение переключения SCR тиристора можно проверить, увеличивая напряжение источника постоянного тока (без нажатия кнопок) до тех пор, пока SCR тиристор не отопрется самостоятельно. Остерегайтесь того, что для теста переключения может потребоваться очень высокое напряжение: многие мощные SCR тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если имеется импульсный генератор напряжения, аналогичным способом может быть проверена критическая скорость повышения напряжения SCR тиристора: необходимо подвергнуть тиристор импульсному напряжению с разными скоростями напряжение/время без воздействия на кнопочные переключатели и пронаблюдать, когда тиристор отопрется.

В этом простом виде, схема для проверки SCR тиристоров может быть достаточной в качестве схемы управления запуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки (рисунок ниже).

Схема управления запуском/остановкой двигателя постоянного тока

Схема «монтировки»

Другое практическое применение SCR тиристора в схемах постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Схема «монтировки» состоит из SCR тиристора, установленного параллельно выходу источника постоянного напряжения, для установления короткого замыкания на выходе этого источника питания, чтобы предотвратить подачу слишком повышенного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR тиристора и источника питания предотвращается путем установки перед SCR тиристором подходящего предохранителя или существенного последовательного сопротивления для ограничения тока короткого замыкания (рисунок ниже).

Схема «монтировки», используемая в источнике питания постоянного тока

Некоторое устройство или схема, определяющие выходное напряжение, будут подключены к управляющему электроду SCR тиристора, поэтому при возникновении состояния перенапряжения между управляющим электродом и катодом будет приложено напряжение, отпирающее SCR тиристор и заставляющее сработать предохранитель. Эффект будет примерно таким же, как кидание стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство применений SCR тиристоров предназначены для управления питанием переменным током, несмотря на то, что SCR тиристоры являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если схеме требуется двунаправленный ток, можно использовать несколько SCR тиристоров, причем для обработки обоих полупериодов волны переменного тока в каждом направлении должны смотреть один или несколько тиристоров. Основная причина, по которой SCR тиристоры вообще используются в приложениях управления питанием переменным током, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы видели, тиратронная лампа (электронно-ламповая версия SCR тиристора) и симметричный динистор (DIAC), гистерезисное устройство, запускаемое во время части полупериода переменного тока, будут отпираться и оставаться включенными на протяжении всей оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток не уменьшится до нуля, так как должен начинать следующий полупериод. Только перед точкой пересечения нуля сигналом переменного тока тиристор отключится (запрется) из-за недостаточного тока (это поведение также называется естественной коммутацией) и должен будет снова отпереться в следующем периоде. Результатом является ток цепи, эквивалентный «обрезанной» синусоиде. Для примера, ниже приведен график отклика симметричного динистора (DIAC) на переменное напряжение, пиковое значение которого превышает напряжение переключения DIAC.

Двунаправленный отклик симметричного динистора (DIAC)

При использовании DIAC предельное напряжение переключения было фиксированной величиной. С SCR тиристором мы контролируем, когда точно устройство отпирается путем переключения управляющего вывода в любой момент времени периода сигнала. Подключив подходящую схему управления к управляющему электроду SCR тиристора, мы можем «обрезать» синусоиду в любой точке, чтобы обеспечить пропорционально времени управление питанием на нагрузке.

Возьмем в качестве примера схему на рисунке ниже. Здесь SCR тиристор помещается в схему для управления питанием нагрузки, потребляемым от источника переменного тока.

Управление питанием переменным током с помощью SCR тиристора

Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, самое большее, что мы можем подать на нагрузку, это только одна полуволна во время полупериода переменного тока, когда полярность напряжения питания положительна сверху и отрицательна снизу. Однако для демонстрации базовой идеи управления пропорционально времени эта простая схема подходит лучше, чем схема, управляющая мощностью во время всей волны (для чего потребуется два SCR тиристора).

При отсутствии переключения на управляющем электроде и величине напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения переключения SCR тиристора SCR тиристор никогда не откроется. Подключение управляющего электрода SCR тиристора к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через управляющий вывод в случае, если SCR тиристор содержит встроенный резистор между управляющим выводом и катодом) позволит запускать SCR тиристор почти сразу в начале каждого положительного полупериода (рисунок ниже).

Управляющий электрод подключен напрямую к аноду через диод; через нагрузку протекает почти целая полуволна тока.

Задержка запуска SCR тиристора

Однако мы можем отложить запуск SCR тиристора, вставив некоторое сопротивление в цепь управляющего электрода, тем самым увеличивая величину падения напряжения, требуемого перед тем, как будет достигнут достаточный ток управляющего электрода SCR тиристора. Другими словами, если мы затрудняем движение электронов через управляющий электрод путем добавления сопротивления, переменное напряжение должно будет достигнуть более высокой точки в своем цикле, прежде чем будет достигнут достаточный ток управляющего вывода, чтобы включить SCR тиристор. Результат показан на рисунке ниже.

В цепь управляющего электрода вставлено сопротивление; через нагрузку протекает меньше полуволны тока.

Когда сигнал «полусинусоиды» будет в значительной степени обрезан за счет задержки запуска SCR тиристора, нагрузка получит меньшую среднюю мощность (питание подается на меньшее время в течение всего периода). Сделав последовательный резистор в цепи управляющего электрода переменным, мы можем подстроить мощность пропорционально времени (рисунок ниже).

Увеличение сопротивления повышает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит меньшая мощность.
Уменьшение сопротивления понижает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит большая мощность.

К сожалению, эта схема управления имеет значительные ограничения. При использовании сигнала источника переменного тока в качестве сигнала, переключающего наш SCR тиристор, мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем подождать, чтобы переключить SCR тиристор после пика сигнала. Это означает, что мы можем убавить мощность только до того момента, когда SCR тиристор включится на самом пике сигнала.

Схема при установке минимальной мощности

Повышение порога срабатывания переключения приведет к тому, что схема не будет запускаться вообще, так как даже пик переменного напряжения источника питания будет недостаточным для запуска SCR тиристора. В результате питание на нагрузку подаваться не будет.

Гениальное решение этой дилеммы управления обнаруживается при добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора (рисунок ниже).

Добавление в схему фазосдвигающего конденсатора

Меньший сигнал, показанный на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Для иллюстрации фазового сдвига я предполагаю условие максимального управляющего сопротивления, когда SCR не запускается вообще и не подает на нагрузку ток, за исключением того, какой небольшой ток проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, SCR тиристор отпирается.

При напряжении на конденсаторе, достаточном для периодического запуска SCR тиристора, итоговый сигнал тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Сдвинутый по фазе сигнал переключает SCR тиристор в режим проводимости

Поскольку сигнал на конденсаторе всё еще растет после того, как основной сигнал от источника питания достиг своего пика, становится возможным запустить SCR тиристор на пороговом уровне за этим пиковым значением, тем самым обрезая сигнал тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой. В действительности сигнал напряжения конденсатора немного сложнее, чем показано здесь, его синусоидальная форма искажается каждый раз, когда открывается SCR тиристор. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание, связанное с фазосдвигающей RC цепью; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

Запуск SCR тиристоров сложными схемами

SCR тиристоры также могут быть запущены, или «отперты», более сложными схемами. Хотя ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, управление большими промышленными двигателями часто опирается на более сложные схемы запуска. Иногда для соединения схемы запуска с управляющим электродом и катодом SCR тиристора для обеспечения электрической изоляции между цепями запуска и силовыми цепями используются импульсные трансформаторы (рисунок ниже).

Трансформаторная связь сигнала переключения обеспечивает изоляцию

Когда для управления питанием используется несколько SCR тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение единой схемы запуска ко всем SCR тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в этом примере выпрямительные SCR тиристоры) должны проводить ток в противоположных парах. SCR₁ и SCR₃ должны быть запущены одновременно, и SCR₂ и SCR₄ должны быть запущены как пара. Однако, как вы заметили, эти пары SCR тиристоров не используют одни и те же соединения катодов, а это означает, что схема не будет работать, если просто запараллелить их управляющие электроды и подключить к ним единый источник напряжения, чтобы запустить оба тиристора (рисунок ниже).

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR₂ и SCR₄ в качестве пары

Хотя показанный источник напряжения запуска запустит SCR₄, он не запустит должным образом SCR₂, потому что эти два тиристора не имеют общего соединения катодов для использования его в качестве опорной точки для напряжения запуска. Однако импульсные трансформаторы, подключающие два управляющих электрода тиристоров к источнику напряжения запуска, будут работать (рисунок ниже).

Трансформаторная связь управляющих электродов позволяет запускать SCR₂ и SCR₄

Имейте в виду, что эта схема показывает подключение управляющих электродов только двух из четырех SCR тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR₁ и SCR₃, а также детали самих импульсных источников были опущены для простоты.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными схемами. В большинстве промышленных систем питание переменным током доступно в трехфазной форме для получения максимальной эффективности, и из-за своих преимуществ в них используются твердотельные схемы управления. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на SCR тиристорах, не показывающая импульсных трансформаторов и схем запуска, будет выглядеть как на рисунке ниже.

Трехфазное мостовое управление нагрузкой на SCR тиристорах

Резюме

• Кремниевый управляемый выпрямитель, или SCR тиристор, по сути, является динистором (диодом Шокли) с дополнительным выводом. Этот дополнительный вывод называется управляющим электродом, и он используется для переключения устройства в режим проводимости (отпирает его) с помощью прикладывания небольшого напряжения. Для запуска, или отпирания, SCR тиристора напряжение должно быть приложено между управляющим электродом и катодом, плюс на управляющий электрод, минус на катод.
• При тестировании SCR тиристора кратковременное соединение между управляющим электродом и анодом достаточно по полярности, интенсивности и продолжительности, чтобы отпереть тиристор. SCR тиристоры могут быть запущены с помощью преднамеренного запуска вывода управляющего электрода, повышенного напряжения (переключения) между анодом и катодом или повышенной скорости нарастания напряжения между анодом и катодом. SCR тиристоры могут быть выключены (заперты) падением анодного тока ниже значения тока удержания (выключение по низкому току) или «обратным переключением» управляющего электрода (прикладывание отрицательного напряжения к управляющему электроду). Обратное переключение эффективно только иногда и всегда включает в себя высокий ток через управляющий вывод.
• Вариант SCR тиристора, называемый запираемым тиристором (GTO (Gate-Turn-Off) тиристор), специально предназначен для отключения с помощью обратного переключения. Даже в этом случае обратное переключение требует довольно высокого тока: обычно 20% от тока анода. Выводы SCR тиристора могут быть идентифицированы с помощью мультиметра в режиме «прозвонки»: единственные два вывода, показывающие какие-либо показания при «прозвонке», должны быть управляющий электрод и катод. Выводы управляющего электрода и катода подключаются к PN переходу внутри SCR тиристора, поэтому мультиметр в режиме «прозвонки» должен выдавать диодо-подобные показания между двумя этими выводами с красным (+) щупом на управляющем электроде и черным (-) щупом на катоде. Однако имейте в виду, что некоторые мощные SCR тиристоры содержат внутренний резистор, подключенный между управляющим электродом и катодом, что повлияет на любые измерения целостности соединения, проводимые мультиметром.
• SCR тиристоры являются настоящими выпрямителями: они пропускают ток через себя только в одном направлении. Это означает, что они не могут использоваться в одиночку для двухполупериодного управления питанием переменным током. Если диоды в схеме выпрямителя заменить на SCR тиристоры, вы получите схему управляемого выпрямителя, где питание постоянным напряжением может подаваться на нагрузку пропорционально времени отпирания SCR тиристоров в разные моменты периода переменного напряжения питания.

Оригинал статьи:

Теги

SCR / тринистор (кремниевый управляемый выпрямитель)Защита цепейМультиметрОбучениеТиристорТок удержанияЭлектроника

Сохранить или поделиться

Тиристор • ru.knowledgr.com

Тиристор — устройство полупроводника твердого состояния с четырьмя слоями чередования N и материала P-типа. Они действуют исключительно как бистабильные выключатели, проводя, когда их ворота получают текущий спусковой механизм, и продолжите проводить, в то время как они прямосмещенные (то есть, в то время как напряжение через устройство не полностью изменено). Тиристор с тремя лидерством разработан, чтобы управлять большим током его двух, ведет, объединяя тот ток с меньшим током или напряжением его другого лидерства — известный как его лидерство контроля. Напротив, тиристор с двумя лидерством разработан, чтобы ‘включить’, если разность потенциалов между ведет, достаточно большое — стоимость, представляющая ее напряжение пробоя.

Некоторые источники определяют управляемые кремнием ректификаторы и тиристоры как синонимичные. Другие источники определяют тиристоры как больший набор устройств по крайней мере с четырьмя слоями чередования N и материала P-типа.

Первые тиристорные устройства были выпущены коммерчески в 1956. Поскольку тиристоры могут управлять относительно большой суммой власти и напряжения с маленьким устройством, они находят широкое применение в контроле электроэнергии, в пределах от регуляторов силы света и регулировки скорости электродвигателя к высоковольтной механической передаче постоянного тока. Тиристоры могут использоваться в переключающих схемах власти, схемах замены реле, схемах инвертора, схемах генератора, схемах датчика уровня, схемах вертолета, затемняющих свет схемах, недорогостоящих схемах таймера, логических схемах, схемах регулировки скорости, схемах регулировки фазы, и т.д. Первоначально тиристоры положились только на текущее аннулирование, чтобы выключить их, делая их трудными просить постоянный ток; более новые типы устройства могут быть включены и прочь через сигнал ворот контроля. Тиристор не пропорциональное устройство как транзистор. Другими словами, тиристор может только быть полностью включен или выключен, в то время как транзистор может лечь промежуточный на и от государств. Это делает тиристор неподходящим как аналоговый усилитель, но полезным как выключатель.

Введение

Тиристор — слойное на четырех, три предельных устройства полупроводника, с каждым слоем, состоящим из поочередно N-типа или материала P-типа, например P N P N. Главные терминалы, маркированный анод и катод, через все четыре слоя. Терминал контроля, названный воротами, присоединен к материалу p-типа около катода. (Вариант назвал SCS — Кремниевый Выключатель, Которым управляют — производит все четыре слоя к терминалам.) Операция тиристора может быть понята с точки зрения пары плотно двойных биполярных транзисторов соединения, устроенных, чтобы вызвать самозапирающееся действие:

:

У

тиристоров есть три государства:

1. Обратный способ блокирования — Напряжение применено в направлении, которое было бы заблокировано диодом
2. Отправьте способ блокирования — Напряжение применено в направлении, которое заставило бы диод проводить, но тиристор не был вызван в проводимость
3. Отправьте способ проведения — тиристор был вызван в проводимость и останется проводить, пока передовой ток не понижается ниже порогового значения, известного как «держащийся ток»

Функция терминала ворот

У

тиристора есть три p-n соединения (последовательно названный J, J, J от анода).

Когда анод в положительном потенциале V относительно катода без напряжения, примененного в воротах, соединения J и J прямосмещенные, в то время как соединение J обратное оказанный влияние. Поскольку J обратный оказанный влияние, никакая проводимость не имеет место (От государства). Теперь, если V увеличен вне напряжения пробоя V из тиристора, расстройство лавины J имеет место, и тиристор начинает проводить (На государстве).

Если положительный потенциал V применен в терминале ворот относительно катода, расстройство соединения J происходит в нижнем значении V. Выбирая соответствующую ценность V, тиристор может быть переключен в на государстве быстро.

Как только расстройство лавины произошло, тиристор продолжает проводить, независимо от напряжения ворот, до: (a) потенциал V удален или (b), ток через устройство (anode−cathode) является меньше, чем держащийся ток, определенный изготовителем. Следовательно V может быть пульс напряжения, такой как продукция напряжения от генератора релаксации UJT.

Пульс ворот характеризуется с точки зрения напряжения спускового механизма ворот (V), и ворота вызывают ток (I). Ток спускового механизма ворот варьируется обратно пропорционально с шириной пульса ворот таким способом, которым очевидно, что есть минимальное обвинение в воротах, требуемое вызвать тиристор.

Переключение особенностей

В обычном тиристоре, как только это было включено терминалом ворот, устройство остается запершим в на государстве (т.е. не нуждается в непрерывной поставке тока ворот, чтобы остаться в на государстве), обеспечивание тока анода превысило запирающийся ток (I). Пока анод остается положительно оказанным влияние, он не может быть выключен, пока ток анода не падает ниже держащегося тока (I).

Тиристор может быть выключен, если внешняя схема заставляет анод становиться отрицательно оказанным влияние (метод, известный как естественный, или линия, замена). В некоторых заявлениях это сделано, переключив второй тиристор, чтобы освободить от обязательств конденсатор в катод первого тиристора. Этот метод называют принудительной заменой.

После того, как ток в тиристоре погасил, задержка конечного промежутка времени должна протечь, прежде чем на анод можно снова положительно оказать влияние и сохранить тиристор в негосударственном. Эту минимальную задержку называют, схема commutated выключают время (t). Попытка положительно оказать влияние на анод в течение этого времени заставляет тиристор быть самовызванным остающимися перевозчиками обвинения (отверстия и электроны), которые еще не повторно объединились.

Для заявлений с частотами выше, чем внутреннее электропитание от сети AC (например, 50 Гц или 60 Гц), требуются тиристоры с нижними значениями t. Такие быстрые тиристоры могут быть сделаны, распространив ионы хэви-метала такой столь же золотой или платина, которые действуют как центры комбинации обвинения в кремний. Сегодня, быстрые тиристоры чаще сделаны электроном или протонным озарением кремния, или внедрением иона. Озарение более универсально, чем допинг хэви-метала, потому что это разрешает дозировке быть приспособленной в прекрасных шагах, даже на настоящей поздней стадии в обработке кремния.

История

Silicon Controlled Rectifier (SCR) или Тиристор, предложенный Уильямом Шокли в 1950 и защищенный Молл и другими в Bell Labs, были развиты в 1956 инженерами-энергетиками в General Electric (G.E). во главе с Гордоном Холом и коммерциализированный G.E.’s Франк В. «Билл» Гуцвиллер.

Этимология

Более ранний газ заполнился, ламповое устройство, названное тиратроном, обеспечило подобную электронную способность переключения, где маленькое напряжение контроля могло переключить большой ток. Именно от комбинации «тиратрона» и «транзистора» термин «тиристор» получен.

Заявления

Тиристоры, главным образом, используются, где токи высокого напряжения и напряжения включены и часто используются, чтобы управлять переменными токами, где изменение полярности тока заставляет устройство выключать автоматически, называемый Нулевой Взаимной операцией. Устройство, как могут говорить, работает синхронно; будучи этим, как только устройство вызвано, оно проводит ток в фазе с напряжением, примененным по его катоду к соединению анода без дальнейшей модуляции ворот, требуемой, т.е. на устройстве оказывают влияние полностью. Это не должно быть перепутано с асимметричной операцией, поскольку продукция однонаправлена, текущий только от катода до анода, и так асимметрична в природе.

Тиристоры могут использоваться в качестве элементов контроля для угла фазы вызванные диспетчеры, также известные, поскольку фаза уволила диспетчеров.

Они могут также быть найдены в электроснабжении для цифровых схем, где они используются в качестве своего рода «расширенного выключателя», чтобы предотвратить неудачу в электроснабжении от повреждения компонентов по нефтепереработке. Тиристор используется вместе с диодом Zener, приложенным к его воротам, и если выходное напряжение поставки повысится выше напряжения Zener, то тиристор проведет и сорвет продукцию электроснабжения, чтобы основать (в целом также легкая походка восходящего прерывателя или плавкого предохранителя). Этот вид схемы защиты известен как лом и имеет преимущество перед прерывателем эталонной цепи, или плавьте это, это создает путь высокой проводимости, чтобы основать для разрушительного напряжения поставки и потенциально для сохраненной энергии в приводимой в действие системе.

Первое крупномасштабное применение тиристоров, со связанным вызовом diac, в потребительских товарах имело отношение к устойчивому электроснабжению в пределах приемников цветного телевидения в начале 1970-х. Устойчивая поставка DC высокого напряжения для приемника была получена, переместив пункт коммутации тиристорного устройства вверх и вниз по падающему наклону положительной идущей половины входа поставки AC (если бы возрастающий наклон использовался, то выходное напряжение всегда повышалось бы к пиковому входному напряжению, когда устройство было вызвано, и таким образом победите цель регулирования). Точный пункт коммутации был определен грузом на поставке продукции DC, а также входных колебаниях AC.

Тиристоры использовались в течение многих десятилетий в качестве освещения регуляторов освещенности в телевидении, кинофильмах и театре, где они заменили низшие технологии, такие как автотрансформаторы и реостаты. Они также использовались в фотографии в качестве критической части вспышек (стробы).

Схемы демпфера

Тиристоры могут быть вызваны уровнем высотного здания негосударственного напряжения. Это предотвращено, соединив схему демпфера конденсатора резистора (RC) между терминалами анода и катода, чтобы ограничить dV/dt (т.е., уровень напряжения изменяется в течение долгого времени).

Передача электричества HVDC

Так как современные тиристоры могут переключить власть в масштабе мегаватт, тиристорные клапаны стали сердцем преобразования высоковольтного постоянного тока (HVDC) или к или от переменного тока. В сфере этого и других очень мощных заявлений, и электрически вызвал (ETT) и вызванные тиристоры света (LTT), все еще основной выбор. Клапаны устроены в стеках, обычно приостанавливаемых от потолка здания передачи, названного залом клапана. Тиристоры устроены в диодную мостовую схема, и уменьшать гармонику связаны последовательно, чтобы сформировать 12 конвертеров пульса. Каждый тиристор охлажден с деионизированной водой, и вся договоренность становится одним из многократных идентичных модулей, формирующих слой в многослойном стеке клапана, названном учетверенным клапаном. Три таких стека, как правило, устанавливаются на полу или вешаются от потолка зала клапана средства передачи большого расстояния.

Сравнения с другими устройствами

Функциональный недостаток тиристора состоит в том, что, как диод, он только проводит в одном направлении. Подобное самозапирающееся устройство с 5 слоями, названное ТРИАКОМ, в состоянии работать в обоих направлениях. Эта добавленная способность, тем не менее, также может стать нехваткой. Поскольку ТРИАК может провести в обоих направлениях, реактивные грузы могут заставить его быть не в состоянии выключить в течение моментов нулевого напряжения цикла мощности переменного тока. Из-за этого использование ТРИАКОВ с (например), в большой степени индуктивными моторными грузами обычно требует, чтобы использование схемы «демпфера» вокруг ТРИАКА гарантировало, что выключит с каждым полупериодом власти сети. Обратный параллельный SCRs может также использоваться вместо триака; потому что у каждого SCR в паре есть весь полупериод обратной полярности, относился к нему, SCRs, в отличие от ТРИАКОВ, несомненно, выключат. «Цена», которая будет заплачена за эту договоренность, однако, является добавленной сложностью двух отдельных, но чрезвычайно идентичных gating схем.

Хотя тиристоры в большой степени используются в исправлении масштаба мегаватта AC к DC, в низкой и средней власти (от немногих десятков ватт к немногим десяткам киловатт) они были фактически заменены другими устройствами с превосходящими особенностями переключения как МОП-транзисторы или IGBTs. Одна основная проблема, связанная с SCRs, состоит в том, что они не полностью управляемые выключатели. GTO (поворот ворот — от тиристора) и IGCT являются двумя устройствами, связанными с тиристором, которые решают эту проблему. В высокочастотных заявлениях тиристоры — бедные кандидаты из-за больших времен переключения, являющихся результатом биполярной проводимости. У МОП-транзисторов, с другой стороны, есть намного более быстрая способность переключения из-за их униполярной проводимости (только перевозчики большинства несут ток).

Способы неудачи

Тиристорные изготовители обычно определяют область безопасного увольнения, определяющего допустимые уровни напряжения и тока для данной рабочей температуры. Граница этой области частично определена требованием, чтобы максимальная допустимая власть ворот (P), определенный на данное более аккуратное время пульса, не была превышена.

А также обычные способы неудачи из-за чрезмерного напряжения, тока или номинальных мощностей, у тиристоров есть свои собственные особые способы неудачи, включая:

• Включите di/dt — в котором темп повышения тока на государстве после того, как вызов выше, чем может быть поддержано распространяющейся скоростью активной области проводимости (SCRs & триаки).
• Принудительная замена — в котором переходный пиковый обратный ток восстановления вызывает такое высокое напряжение, заглядывает области подкатода, что это превышает обратное напряжение пробоя диодного соединения катода ворот (только SCRs).
• Включите dv/dt — тиристор может быть поддельно запущен без спускового механизма из ворот, если уровень повышения напряжения анода к катоду слишком большой.

Кремниевые тиристоры карбида

В последние годы некоторые изготовители развили тиристоры, используя Кремниевый карбид (ТАК) в качестве материала полупроводника. У них есть применения в окружающей среде высокой температуры, будучи способными к работе при температурах до 350 °C.

Типы тиристора

• ACS
• ACST
• AGT — Тиристор Ворот Анода — тиристор с воротами на слое n-типа близко к аноду
• ASCR — Асимметричный SCR
• BCT — Двунаправленный Тиристор Контроля — двунаправленное устройство переключения, содержащее две тиристорных структуры с отдельными воротами, связывается

с

• СОВЕТ ДИРЕКТОРОВ — Диод Продолжения текста — тиристор без ворот, вызванный током лавины
• DIAC — Двунаправленное более аккуратное устройство
• Dynistor — Однонаправленное устройство переключения
• Диод Shockley — Однонаправленный спусковой механизм и переключающееся устройство
• SIDAC — Двунаправленное устройство переключения
• Trisil, SIDACtor — Двунаправленные защитные устройства
• BRT — Базируйте сопротивление тиристор, которым управляют

,

• ETO — поворот эмитента — от тиристора
• GTO — Поворот Ворот — От тиристора
• DB-GTO — Распределенный буферный поворот ворот — от тиристора
• МА-GTO — Измененный поворот ворот анода — от тиристора
• IGCT — Интегрированный gate-commutated тиристор
• Воспламенитель — генераторы Искры для растопки ckts
• LASCR — Активированный светом SCR или LTT — вызванный светом тиристор
• ДЕВУШКА — активированный светом полупроводниковый выключатель

• MCT — МОП-транзистор Тиристор, Которым управляют — Это содержит две дополнительных структуры FET для контроля включения — выключения.
• CSMT или МГЦ — соединение MOS статический тиристор индукции
• ПОМЕЩЕННЫЙ или PUJT — Программируемый Транзистор Unijunction — тиристор с воротами на слое n-типа близко к аноду, используемому в качестве функциональной замены для unijunction транзистора
• RCT — Обратный тиристор проведения
• SCS — Кремниевый Выключатель, Которым управляют, или Тиристорный Тетрод — тиристор и с воротами катода и с анода
• SCR — Кремниевый ректификатор, которым управляют

,

• SITh — Статический Тиристор Индукции, или FCTh — Полевой Тиристор, Которым управляют — содержащий структуру ворот, которая может закрыть электрический ток анода.
• ТРИАК — Триод для Переменного тока — двунаправленное устройство переключения, содержащее две тиристорных структуры с общими воротами, связывается

с

• Quadrac — специальный тип тиристора, который объединяет DIAC и ТРИАК в единственный пакет.

Обратный тиристор проведения

У

обратного тиристора проведения (RCT) есть интегрированный обратный диод, так не способно к обратному блокированию. Эти устройства выгодны, где перемена или с задним колесом свободного хода диод должны использоваться. Поскольку SCR и диод никогда не проводят в то же время, они не производят высокую температуру одновременно и могут легко быть объединены и охлаждены вместе. Обратные тиристоры проведения часто используются в переключателях частоты и инверторах.

Фототиристоры

Фототиристоры активированы при свете. Преимущество фототиристоров — их нечувствительность к электрическим сигналам, которые могут вызвать дефектную операцию в электрически шумной окружающей среде. У света вызвал тиристор (LTT) есть оптически чувствительная область в ее воротах, в которые электромагнитная радиация (обычно инфракрасный) соединена через оптоволокно. Так как никакие электронные доски не должны быть обеспечены в потенциале тиристора, чтобы вызвать его, вызванные тиристоры света могут быть преимуществом в приложениях высокого напряжения, таких как HVDC. Вызванные тиристоры света доступны со встроенным перенапряжением (VBO) защита, которая вызывает тиристор, когда передовое напряжение через него становится слишком высоким; они были также сделаны со встроенной передовой защитой восстановления, но не коммерчески. Несмотря на упрощение они могут принести к электронике клапана HVDC, свет вызвал тиристоры, может все еще потребовать некоторой простой контрольной электроники и только доступны от нескольких изготовителей.

Два общих фототиристора включают активированный светом SCR (LASCR) и активированный светом триак. LASCR действует как выключатель, который включает, когда выставлено, чтобы осветить. Следующее воздействие света, когда свет отсутствует, если власть не удалена и полярности катода и анода, еще не полностью изменило, LASCR находится все еще в ‘на’ государстве. Активированный светом триак напоминает LASCR, за исключением того, что он разработан для ac тока.

См. также

• Тиристор-Драйв

• Тиристорная башня

Дополнительные материалы для чтения

• Тиристорная Теория и Конструктивные соображения; НА Полупроводнике; 240 страниц; 2006; HBD855/D.
• Доктор Ульрих Николай, доктор Тобиас Райнманн, профессор Юрген Пецолдт, Джозеф Лутц: прикладное руководство IGBT и модули власти МОП-транзистора, 1. Выпуск, ОСТРОВ ВЕРЛЭГ, 1998, ISBN 3-932633-24-5.
• Руководство SCR; 6-й выпуск; General Electric Corporation; Prentice-зал; 1979.

Внешние ссылки

• Универсальная тиристорная управляющая схема

• Тиристорные Ресурсы (более простое объяснение)

• Тиристоры STMicroelectronics

• Тиристорные основы

---

принцип работы, схемы и т.д.

Триодный тиристор — специальный электронный прибор, который имеет три p-n перехода. Материал N-типа на одной стороне триодного тиристора является катодом, а материал P-типа на другой его стороне — анодом.

Схема триодного тиристора

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия триодного тиристора

Когда на катод триодного тиристора подается отрицательный потенциал, а на его анод положительный, то переходы J1 и J3 имеют прямое смещение, а переход J2 — обратное. Поскольку переход J2 имеет обратное смещение, то он ведет себя как разомкнутая цепь до тех пор, пока не появится достаточно большой подаваемый потенциал, способный преодолеть сопротивление его обедненной области.

Напряжение, подаваемое на триодный тиристор

Когда на триодный тиристор впервые подается какой-то потенциал, то очень малый ток протекает через этот прибор, так как J2 имеет обратное смещение и действует в основном как разомкнутая цепь. Когда подаваемый потенциал вырастает до значения, при котором сопротивление обедненной области J2 оказывается преодоленным, то триодный тиристор становится очень хорошим проводником и ток, идущий через него, начинает очень быстро нарастать. Потенциал, при котором триодный тиристор становится очень хорошим проводником, называется напряжением включения тиристора. Эффект подобного напряжения включения тиристоров четко виден на графике на рисунке ниже, отражающем характерную кривую триодного тиристора. Вертикальная линия отображает значения тока, протекающего через прибор, а горизонтальная линия — значения подаваемого напряжения.

Характерная кривая триодного тиристора

Как видно из графика, линия тока, протекающая через прибор, направлена почти вертикально вверх, когда достигается напряжение включения тиристора. Для того, чтобы предотвратить повреждение триодного тиристора в результате появления столь большого тока, этот прибор должен иметь либо какую-то нагрузку, либо подаваемый потенциал должен быть уменьшен.

Потенциал, который необходим для того, чтобы триодный тиристор стал хорошим проводником, может быть очень небольшим по сравнению с напряжением включения тиристора. Величина тока, протекающего через триодный тиристор в то время, когда подаваемый потенциал минимален, называется удерживающим током триодного тиристора. Триодный тиристор будет оставаться хорошим проводником до тех пор, пока ток, протекающий через него, не сравняется или не станет выше необходимого удерживающего тока. Величина напряжения, при котором происходит включение тиристора при прямом смещении, а триодный тиристор становится хорошим проводником, если контролировать, подавая положительный потенциал на материал p-типа обратно смещенного перехода (J2).

Этот материал P-типа называется затвором. Потенциал, подаваемый на затвор, называется потенциалом затвора. Когда на затвор подается положительный потенциал, то обратное смещение p-n перехода будет преодолено. А так как значение напряжения включения триодного тиристора в этом случае уменьшится, то сам прибор станет хорошим проводником при более низком напряжении, подаваемом с источника питания.

Что такое динистор и тиристор?

Что такое динистор и тиристор?  

  ♦     Тиристор – полупроводниковый прибор на основе монокристалла полупроводника с многослойной структурой типа p –n –p – n обладает свойствами управляемого электрического вентиля. В качестве полупроводника обычно применяют кремний.

   Обычно тиристор имеет три вывода: два из них (катод и анод) контактируют с крайними областями монокристалла, а третий вывод – управляющий. Такой управляемый тиристор называется иногда триодным, или тринистором.

   Неуправляемый тиристор, имеющий всего два вывода (анод — катод), называется диодным тиристором или динистором.

   Четырехслойная структура тиристора изображена на рис 1.

     На рисунке 2 — его транзисторный аналог.

   ♦      Вольт-амперная характеристика, ВАХ динистора, имеет вид на рисунке 3.

 

  Устойчивое состояние (точка D на ВАХ) достигается в результате перехода транзисторов тиристора в режим насыщения. Падение напряжения на открытом динисторе — тиристоре составляет около 1,5 – 2,0 вольта.

    Если на анод подать положительное напряжение относительно катода, то крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 оказываются смещенными в прямом направлении, а центральный переход П2 в обратном.

    С увеличением анодного напряжения Uа, ток через динистор сначала растет медленно (участок А — В на ВАХ). Сопротивление перехода П2 , в этом режиме еще велико, это соответствует запертому состоянию динистора.

   При некотором значении напряжения (участок В — С на ВАХ). называемым напряжением переключения Uпер (напряжение лавинного пробоя перехода П2), динистор переходит в проводящее состояние.   
В цепи устанавливается ток (участок D – E на ВАХ), определяемый сопротивлением внешней цепи Rн и величиной приложенного напряжения U (рис 2).
Напряжение пробоя динистора, в зависимости от экземпляра, изменяется в широких пределах и имеет значения порядка десятков и сотен вольт.  
На вольт – амперной характеристике, ВАХ (рис 3.), обозначены участки: 
 — А – В участок в прямом включении, здесь динистор заперт и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения лавинного пробоя;
 — В – С участок пробоя коллекторного перехода;
 — C — D участок отрицательного сопротивления;
— D — E участок открытого состояния динистора (динистор включен).

    Динистор имеет два устойчивых состояния:
— заперт (А – В)
— открыт (D — E)

 В участке A – D – E явно просматривается кривая ВАХ диода.

♦     Тиристор имеющий три электрода – анод, катод и управляющий электрод – называется тринистором или просто тиристором.   Четырех слойная структура типа p – n – p – n является единой для тиристора – динистора. Просто, у динистора отсутствует дополнительный вывод управляющего электрода.   
При подаче тока в цепь управляющего электрода, тиристор переключается в открытое состояние при меньших значениях напряжения переключения Uпер.   
Если каким-то образом уменьшать ток, проходящий через динистор — тиристор, то при некотором его значении (точка D на ВАХ) тиристор закроется.Минимальный ток, при котором тиристор — динистор переходит из открытого в закрытое состояние (при токе управляющего электрода Iу =0) называется током удержания Iуд.   
Если через управляющий электрод тиристора пропустить отпирающий ток, то тиристор перейдёт в открытое состояние.   Включение транзисторного аналога тиристора (рис 2) можно осуществить по двум входам: между электродами (Э1 –Б1), либо между электродами (Э2 – Б2).

 ♦    Вольтамперная характеристика тиристора (Рис 4), похожа на вольтамперную характеристику динистора.    
Однако отпирание тиристора обычно происходит при существенно более низком  напряжении, чем необходимо динистору. К раннему открыванию тиристора приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода от Iy1 до Iy4, тем при более низком  напряжении Ua тринистор перейдёт в открытое состояние. Это отражено на вольтамперной характеристике тиристора.

 ♦    Тиристоры изготавливают на разные мощности: маломощные (ток 50 мА. – 100 мА), средней мощности (ток до 20 ампер) и большой мощности (токи 20 – 10000 ампер) и величины напряжения от нескольких вольт до 10 тысяч вольт.

 ♦    По назначению и принципу действия тиристоры делятся на: запираемые, быстродействующие, импульсные, симметричные и фототиристоры.   Тиристор и динистор пропускают ток только в одном направлении – от анода к катоду.

 ♦     В настоящее время появились двунаправленные динисторы (пропускают ток в обоих направлениях) и двунаправленные тиристоры (симисторы).

 

    Симистор имеет в своем составе как бы два тиристора, включенных встречно, с управлением от одного управляющего электрода.ВАХ (вольт — амперная характеристика) симистора представлена на рис 5.
Она имеет две одинаковые ветви. При положительном полупериоде сетевого напряжения действует правая ветвь, при отрицательном полупериоде – левая.
На управляющий электрод, относительно катода, также подается соответственно то положительное, то отрицательное управляющее напряжение. В схемах управления, симистор может заменить два тиристора.

   ♦     Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.   
Наличие двух устойчивых состояний (включен — выключен), а также низкая мощность рассеяния тиристора, обусловили широкое использование их в различных устройствах.    
Тиристоры применяются в регулируемых источниках питания, генераторах мощных импульсов, в линиях передачи энергии постоянного тока, в системах автоматического управления и т.д.

    Внешний вид тиристора и его обозначение на схемах:

  

    Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах регулирования освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.

    Внешний вид симистора такой же как и у обычного тиристора.

Методы коммутации тиристора

Для включения тиристора существуют различные методы запуска, в которых импульс запуска подается на его вывод затвора. Точно так же существуют различные методы для выключения тиристора , эти методы называются Коммутация тиристора Методы . Это можно сделать, вернув тиристор в состояние прямой блокировки из состояния прямой проводимости. Чтобы перевести тиристор в состояние прямой блокировки, прямой ток снижается ниже уровня удерживающего тока.Для регулирования мощности и управления мощностью проводящий тиристор должен быть правильно коммутирован.

В этом руководстве мы объясним различные методы коммутации тиристоров . Мы уже рассказывали о тиристоре и способах его запуска в нашей предыдущей статье.

Существует два основных метода коммутации тиристоров: естественная и принудительная. Техника принудительной коммутации далее делится на пять категорий: классы A, B, C, D и E.

Ниже приведена классификация:

• Естественная коммутация
• Принудительная коммутация
  • Класс A: Самостоятельная коммутация или коммутация нагрузки
  • Класс B: коммутация резонансных импульсов
  • Класс C: дополнительная коммутация
  • Класс D: Импульсная коммутация
  • Класс E: Внешняя импульсная коммутация

Естественная коммутация

Естественная коммутация происходит только в цепях переменного тока и названа так, потому что не требует никаких внешних цепей.Когда положительный цикл достигает нуля и анодный ток равен нулю, сразу же на тиристор подается обратное напряжение (отрицательный цикл), что приводит к выключению тиристора.

Естественная коммутация происходит в контроллерах напряжения переменного тока, циклоконверторах и выпрямителях с фазовым управлением.

Принудительная коммутация

Как мы знаем, в цепях постоянного тока нет естественного нулевого тока, такого как естественная коммутация. Таким образом, принудительная коммутация используется в цепях постоянного тока и также называется коммутацией постоянного тока .Для принудительного уменьшения анодного тока тиристора ниже значения тока удержания требуются коммутирующие элементы, такие как индуктивность и емкость, поэтому он называется Forced Commutation . В основном в цепях прерывателей и инверторов используется принудительная коммутация. Принудительная коммутация делится на шесть категорий, которые описаны ниже:

1. Класс A: Самостоятельная коммутация или коммутация нагрузки

Класс A также называется «Самокоммутация» и является одним из наиболее часто используемых методов среди всех методов коммутации тиристоров.В приведенной ниже схеме катушка индуктивности, конденсатор и резистор образуют цепь второго порядка по демпфированию.

Когда мы начинаем подавать входное напряжение в схему, тиристор не включается, так как для его включения требуется стробирующий импульс. Теперь, когда тиристор включается или смещается в прямом направлении, ток будет проходить через катушку индуктивности и заряжать конденсатор до его пикового значения или равного входному напряжению. Теперь, когда конденсатор полностью заряжен, полярность индуктора меняется на обратную, и индуктор начинает противодействовать току.Благодаря этому выходной ток начинает уменьшаться и приближаться к нулю. В этот момент ток ниже тока удержания тиристора, поэтому тиристор выключается.

2. Класс B: Резонансно-импульсная коммутация

Коммутация

класса B также называется коммутацией резонансных импульсов. Между цепями класса B и класса A есть лишь небольшое различие. В классе B LC резонансный контур включен параллельно, а в классе A — последовательно.

Теперь, когда мы подаем входное напряжение, конденсатор начинает заряжаться до входного напряжения (Vs), а тиристор остается смещенным в обратном направлении до тех пор, пока не будет подан импульс затвора. Когда мы подаем импульс затвора, тиристор включается, и теперь ток начинает течь в обоих направлениях. Но тогда постоянный ток нагрузки протекает через последовательно соединенные сопротивление и индуктивность из-за их большого реактивного сопротивления.

Затем через резонансный LC-контур протекает синусоидальный ток, заряжающий конденсатор с обратной полярностью.Следовательно, на тиристоре появляется обратное напряжение, которое заставляет ток Ic (коммутирующий ток) противодействовать протеканию анодного тока I _A . Следовательно, из-за этого противоположного коммутирующего тока, когда анодный ток становится меньше, чем ток удержания, тиристор выключается.

3. Класс C: Дополнительная коммутация

Коммутация класса C также называется дополнительной коммутацией. Как вы можете видеть на схеме ниже, есть два тиристора, подключенных параллельно: один главный, а другой вспомогательный.

Первоначально оба тиристора находятся в выключенном состоянии, и напряжение на конденсаторе также равно нулю. Теперь, когда импульс затвора применяется к основному тиристору, ток начинает течь по двум путям: один — от R1-T1, а второй — от R2-C-T1. Следовательно, конденсатор также начинает заряжаться до пикового значения, равного входному напряжению, с полярностью пластины B положительной и пластины A отрицательной.

Теперь, когда импульс затвора подается на тиристор T2, он включается, и на тиристоре T1 появляется отрицательная полярность тока, что приводит к выключению T1.И конденсатор начинает заряжаться с обратной полярностью. Мы можем просто сказать, что когда T1 включается, он выключает T2, а когда T2 включается, он выключает T1.

4. Класс D: Импульсная коммутация

Коммутация

класса D также называется импульсной коммутацией или коммутацией напряжения. Как и класс C, коммутационная схема класса D также состоит из двух тиристоров T1 и T2, и они называются соответственно основными и вспомогательными. Здесь диод, катушка индуктивности и дополнительный тиристор образуют цепь коммутации.

Первоначально оба тиристора находятся в выключенном состоянии, и напряжение на конденсаторе C также равно нулю. Теперь, когда мы подаем входное напряжение и запускаем тиристор T1, ток нагрузки начинает течь через него. И конденсатор начинает заряжаться с полярностью пластины A отрицательной и пластины B положительной.

Теперь, когда мы запускаем вспомогательный тиристор T2, основной тиристор T1 выключается, и конденсатор начинает заряжаться с противоположной полярностью. Когда он полностью заряжен, он вызывает выключение вспомогательного тиристора T2, потому что конденсатор не пропускает ток через него, когда он полностью заряжен.

Следовательно, выходной ток также будет равен нулю, потому что на этом этапе оба тиристора находятся в выключенном состоянии.

5. Класс E: Внешняя импульсная коммутация

Коммутация

класса E также называется внешней импульсной коммутацией. Теперь, как вы можете видеть на принципиальной схеме, тиристор уже находится в прямом смещении. Итак, когда мы запускаем тиристор, в нагрузке появляется ток.

Конденсатор в цепи используется для защиты тиристора от du / dt, а импульсный трансформатор используется для выключения тиристора.

Теперь, когда мы подаем импульс через импульсный трансформатор, ток в противоположном направлении будет течь в направлении катода. Этот противоположный ток препятствует прохождению анодного тока, и если I _A — I _P H Тиристор выключится.

Где I _A — анодный ток, I _P — импульсный ток, а I _H — ток удержания.

SCR Выпрямитель с кремниевым управлением »Примечания по электронике

Тиристоры из кремния Управляемые выпрямители, тиристоры представляют собой полупроводниковые устройства, которые могут действовать как электронные переключатели, иногда управляющие цепями с высоким уровнем напряжения и тока.

---

Triac, Diac, SCR Учебное пособие включает:
Основы тиристоров Конструкция тиристорного устройства Работа тиристора Затвор отключающий тиристор, ГТО Характеристики тиристора Что такое симистор Технические характеристики симистора Обзор Diac

---

Тиристоры или кремниевые выпрямители (SCR), как их иногда называют, могут показаться необычными электронными компонентами во многих отношениях, но они особенно полезны для управления силовыми цепями.

Как таковые, эти электронные компоненты используются во многих приложениях управления мощностью, часто там, где уровни тока и напряжения относительно высоки. Тиристоры также могут использоваться в приложениях с низким энергопотреблением, включая управление освещением, а также для защиты источников питания и многих других приложений. Тиристоры просты в использовании и дешевы, что делает их идеальным вариантом для многих схем.

Идея тиристора не нова. Идея устройства была впервые выдвинута в 1950 году Уильямом Шокли, одним из изобретателей транзистора.Хотя некоторые более поздние исследования устройства были предприняты другими несколькими годами позже, они стали доступны только в начале 1960-х годов. После появления тиристоров они вскоре стали популярными для электронных схем переключения и питания.

Сильноточный тиристор / SCR

Что такое тиристор?

Тиристор можно рассматривать как довольно необычную форму электронного компонента, поскольку он состоит из четырех слоев кремния с различными легировками, а не из трех слоев обычных биполярных транзисторов.

В то время как обычные биполярные транзисторы могут иметь структуру pnp или npn с электродами, называемыми коллектором, базой и эмиттером, тиристор имеет структуру pnpn с внешними слоями с их электродами, называемыми анодом (n-типа) и катодом (p -тип). Управляющий вывод SCR называется затвором, и он подключен к слою p-типа, который примыкает к катодному слою.

Базовая структура тиристора / SCR

Тиристоры обычно изготавливаются из кремния, хотя теоретически могут использоваться и другие типы полупроводников.Первая причина использования кремния для тиисторов заключается в том, что кремний является идеальным выбором из-за его общих свойств. Он способен выдерживать напряжение и токи, необходимые для приложений большой мощности. Кроме того, он имеет хорошие термические свойства. Вторая важная причина заключается в том, что кремниевая технология хорошо известна и широко используется для различных полупроводниковых устройств. В результате производители полупроводников могут очень дешево и легко использовать их для своих электронных компонентов.

Применение тиристоров

Тиристоры, или кремниевые выпрямители, тиристоры используются во многих областях электроники, где они находят применение во множестве различных приложений.Некоторые из наиболее распространенных приложений для них описаны ниже:

• Регулятор мощности переменного тока (включая фонари, двигатели и т. Д.).
• Электронная коммутация переменного тока.
• Лом для защиты от перенапряжения для источников питания.
• Элементы управления в контроллерах, срабатывающих по углу фазы.
• В фотовспышках, где они действуют как электронный выключатель, разряжая накопленное напряжение через фотовспышку, а затем отключает его в нужное время.

Тиристоры способны переключать высокие напряжения и выдерживать обратные напряжения, что делает их идеальными для электронных коммутационных приложений, особенно в сценариях переменного тока.

Открытие тиристора

Идея тиристора была впервые описана Шокли в 1950 году. Он упоминался как биполярный транзистор с p-n крючком-коллектором. Механизм операции был дополнительно проанализирован в 1952 году Эберсом.

Затем в 1956 году Молл исследовал механизм переключения тиристора.Разработка продолжалась, и об устройстве стало больше известно, так что первые выпрямители с кремниевым управлением стали доступны в начале 1960-х годов, когда они начали приобретать значительный уровень популярности для переключения мощности.

Когда GE выпустила свои устройства, они использовали термин кремниевый управляемый выпрямитель, или SCR, потому что он работал только в одном направлении и был управляемым. Они использовали название SCR как торговую марку для своей продукции.

Как работает тиристор?

Принцип работы тиристора отличается от работы других устройств.Обычно через устройство не протекает ток. Однако, если к устройству подключен источник питания, и на затвор подается небольшой ток, устройство будет «срабатывать» и проводить. Он будет оставаться в проводящем состоянии до тех пор, пока не будет отключен источник питания.

Чтобы увидеть, как работает тиристор, стоит взглянуть на эквивалентную схему тиристора. Для пояснения схему тиристора можно рассматривать как два встречных транзистора. Первый транзистор с эмиттером, подключенным к катоду тиристора, является транзистором NPN, тогда как второй транзистор с эмиттером, подключенным к аноду тиристора, SCR является транзистором PNP.Затвор подключен к базе транзистора NPN, как показано ниже.

Эквивалентная схема тиристора

Когда на тиристор подается напряжение, ток не течет, потому что ни один из транзисторов не проводит ток. Однако если на затвор будет подано напряжение, это вызовет протекание тока в базе, и это заставит TR2 включиться. Когда TR2 включен, это опускает базу TR1, вызывая включение этого транзистора, и, в свою очередь, проталкивает ток через базу TR2, что означает, что устройство останется включенным, даже если напряжение затвора будет снято.

Обозначения и основные сведения о тиристорах

Тиристорный или кремниевый управляемый выпрямитель, SCR — это полупроводниковое устройство, обладающее рядом необычных характеристик. Он имеет три вывода: анод, катод и затвор, отражающий термоэлектронный клапан / вакуумную трубку. Как и следовало ожидать, затвор является управляющим выводом, в то время как основной ток протекает между анодом и катодом.

Как можно понять из обозначения схемы, показанной ниже, это устройство является «односторонним устройством», отсюда и название GE — кремниевый управляемый выпрямитель.Поэтому, когда устройство используется с переменным током, оно будет работать не более половины цикла.

При работе тиристор или тиристор изначально не работают. Требуется определенный уровень тока, чтобы течь в ворота, чтобы «выстрелить». После срабатывания тиристор будет оставаться в проводящем состоянии до тех пор, пока не будет снято напряжение на аноде и катоде — это, очевидно, происходит в конце полупериода, в течение которого тиристор проводит. Следующий полупериод будет заблокирован в результате действия выпрямителя.Затем потребуется ток в цепи затвора, чтобы снова запустить SCR. Таким образом, тиристор можно использовать как электронный переключатель.

Кремниевый управляемый выпрямитель, тиристор или символ тиристора, используемый для принципиальных схем или схем, стремится подчеркнуть характеристики выпрямителя, одновременно показывая управляющий вентиль. В результате символ тиристора представляет собой традиционный символ диода с входом управляющего затвора рядом с переходом.

Символ схемы тиристора или тиристора

Примечание по схемам и конструкции тиристоров:

Тиристоры или тиристоры имеют характеристику, заключающуюся в том, что, когда затвор получает ток запуска, он запускает тиристор, позволяя току течь до тех пор, пока не будет снято напряжение между анодом и катодом.Это позволяет тиристору переключать высокие напряжения и токи, хотя это только более половины цикла. Цепи могут приглушать свет, управлять двигателями и вообще переключать высокие напряжения и токи.

Подробнее о Схемы и конструкция тиристоров

Характеристики тиристора

Чтобы выбрать правильное тиристорное устройство для любой схемы, необходимо изучить спецификации и убедиться, что устройство имеет правильные характеристики для предполагаемой схемы или приложения.

Тиристоры — довольно уникальные компоненты, и их характеристики и параметры таблицы отличаются от других более широко используемых электронных компонентов, таких как биполярные транзисторы и полевые транзисторы JFET, полевые МОП-транзисторы и т. Д.

Другие типы тиристоров или тиристоров

Существует несколько типов тиристоров — это варианты базового компонента, но они предлагают разные возможности, которые могут использоваться в различных случаях и могут быть полезны для определенных схем.

• Тиристор с обратной проводимостью, RCT: Хотя тиристоры обычно блокируют ток в обратном направлении, существует одна форма, называемая тиристором с обратной проводимостью, который имеет встроенный обратный диод для обеспечения проводимости в обратном направлении, хотя нет управления в этом направлении.

  Внутри тиристора с обратной проводимостью само устройство и диод не проводят одновременно. Это означает, что они не производят тепло одновременно. В результате они могут быть объединены и охлаждены вместе.

  RCT может использоваться там, где в противном случае потребовался бы обратный диод или диод свободного хода. Тиристоры с обратной проводимостью часто используются в преобразователях частоты и инверторах.

• Тиристор с управляемым затвором, GATT: GATT используется в случаях, когда необходимо быстрое отключение.Чтобы помочь в этом процессе, иногда может применяться отрицательное напряжение затвора. Помимо снижения анодного катодного напряжения. Это обратное напряжение затвора помогает истощить неосновные носители, хранящиеся в базовой области n-типа, и гарантирует, что переход затвор-катод не будет смещен в прямом направлении.

  Структура GATT аналогична структуре стандартного тиристора, за исключением того, что часто используются узкие катодные полоски, чтобы позволить затвору иметь больший контроль, поскольку он находится ближе к центру катода.

• Тиристор отключения затвора, GTO: GTO иногда также называют выключателем затвора. Это устройство необычно в семействе тиристоров, поскольку его можно выключить, просто приложив отрицательное напряжение к затвору — нет необходимости снимать напряжение с анода и катода. См. Дальнейшую страницу в этой серии с более полным описанием GTO.
• Асимметричный тиристор: Это устройство используется в цепях, где тиристор не воспринимает обратное напряжение и, следовательно, выпрямитель не требуется.В результате можно сделать второй переход, часто называемый J2 (см. Стр. О структуре устройства), можно сделать намного тоньше. Результирующая n-базовая область обеспечивает уменьшенный V _на , а также улучшенное время включения и выключения.

Тиристоры широко используются во многих областях электроники, действуя как электронные переключатели. Тиристорные схемы могут использоваться во многих энергетических приложениях, поскольку эти электронные компоненты могут очень легко коммутировать большие токи.В дополнение к этому они очень дешевы и широко доступны.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Конструкция и изготовление тиристора / тиристора »Электроника

Структура тиристорного / кремниевого управляемого выпрямителя, SCR, дает некоторое представление о том, как он работает и как его можно использовать.

---

Triac, Diac, SCR Учебное пособие включает:
Основы тиристоров Конструкция тиристорного устройства Работа тиристора Затвор отключающий тиристор, ГТО Характеристики тиристора Что такое симистор Технические характеристики симистора Обзор Diac

---

Тиристорный или кремниевый выпрямитель, SCR, имеет структуру, которая состоит из четырех слоев: он содержит сэндвич PNPN.

Тиристорная структура относительно проста и обычно основана на хорошо отработанных процессах.В результате тиристоры многочисленны и обычно дешевы.

Базовая структура тиристора / тиристора

Тиристор состоит из четырехслойной структуры PNPN, внешние слои которой называются анодом (P-тип) и катодом (N-тип). Управляющий вывод тиристора называется затвором и подключен к слою P-типа, расположенному рядом с катодом.

Базовая структура тиристора / SCR

В результате тиристор имеет три перехода, а не один переход диода, и два перехода внутри транзисторов.

Три соединения обычно обозначаются как J ₁ , J ₂ и J ₃ . Они пронумерованы по порядку, причем J ₁ является ближайшим к аноду.

Материалы для тиристоров / тиристоров

Хотя для тиристоров можно использовать самые разные материалы, кремний является наиболее популярным. Торговое название этого типа устройств — выпрямитель с кремниевым управлением — также указывает на то, что кремний является самым популярным материалом.

Кремний обеспечивает хорошую теплопроводность, а также способность выдерживать высокое напряжение и ток.Еще одно преимущество состоит в том, что процессы для кремния более зрелые и, следовательно, более дешевые в эксплуатации, чем для других материалов.

Однако другие материалы, включая карбид кремния, SiC; нитрид галлия, GaN; алмаз, C; и полуширокозонный полупроводниковый материал арсенид галлия, GaAs, также были исследованы, и, согласно исследованиям, они продемонстрировали многообещающие свойства в экстремальных условиях высокой мощности, высокой температуры и высокой частоты. Тем не менее кремний по-прежнему остается самым популярным веществом.

Структура и изготовление тиристоров полупроводников

Уровень легирования варьируется между разными слоями тиристора. Катод наиболее легирован. Затем затвор и анод сильно легированы. Самый низкий уровень легирования находится в центральном слое типа N. Он также толще других слоев, и эти два фактора позволяют поддерживать большое напряжение блокировки. Более тонкие слои означают, что устройство выйдет из строя при более низких напряжениях.

Конструкция изготовления тиристора / SCR

Ввиду очень высоких токов и уровней мощности, которые используются для переключения некоторых тиристоров, соображения теплового режима имеют первостепенное значение.Анод SCR или кремниевого управляемого выпрямителя обычно прикрепляется к корпусу, так как вывод затвора находится рядом с катодом и его необходимо подключать отдельно. Это достигается таким образом, что тепло от кремния отводится к корпусу. Помимо внутренних соображений, необходимо тщательно продумать внешний теплоотвод тиристора, иначе устройство может перегреться и выйти из строя.

Многие тиристоры меньшего размера устанавливаются в стандартных корпусах TO, а тиристоры большего размера имеют гораздо большие очертания, но предназначены для крепления болтами к радиатору для отключения питания.Несмотря на их эффективность, мощность все же рассеивается, и ее необходимо удалить.

Асимметричная структура тиристора / тиристора

Асимметричный тиристор характеризуется тем, что называется коротким катодом и коротким анодом. Из диаграммы видно, что и катод, и анод соединяются с областями N + и P в случае катода и с областями P + и N в случае анода.

«Короткое замыкание» между областями P и N имеет эффект добавления резистора между переходами, т.е.е. катод к затвору в случае катодного соединения. Это имеет множество эффектов, включая сокращение срока службы носителей и улучшение времени отклика на переходные процессы.

Асимметричная структура тиристора / SCR

Различные конструкции используются разными производителями для разных приложений. Кроме того, кремний является наиболее широко используемым материалом для тиристоров.

Тиристоры или тиристоры, выпрямители с кремниевым управлением хорошо зарекомендовали себя, а технология очень стабильна. Эти устройства широко используются для переключения мощности, для чего они очень подходят.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Тиристоры | PSpice

2N1595	1.6 Выпрямитель с кремниевым управлением, кремниевый тиристор (с функцией AA)
2N1595	Кремниевый тиристор
2N1595	1,6 А кремниевый выпрямитель, кремниевый тиристор
2N1595 / 75C	1.6 Выпрямитель с кремниевым управлением, кремниевый тиристор @ 75C
2N1596	1,6 A выпрямитель с кремниевым управлением, кремниевый тиристор (с функцией AA)
2N1596	1,6 А кремниевый выпрямитель, кремниевый тиристор
2N1597	1.6 Выпрямитель с кремниевым управлением, кремниевый тиристор (с функцией AA)
2N1597	1,6 А кремниевый выпрямитель, кремниевый тиристор
2N1598	1,6 A выпрямитель с кремниевым управлением, кремниевый тиристор (с функцией AA)
2N1599	1.6 Выпрямитель с кремниевым управлением, кремниевый тиристор (с функцией AA)
2N1599	1,6 А кремниевый выпрямитель, кремниевый тиристор
2N1772	Выпрямитель с кремниевым управлением, 8 А (с включением AA)
2N1775	Выпрямитель с кремниевым управлением, 8 А (с включением AA)
2N1777	Выпрямитель с кремниевым управлением, 8 А (с включением AA)
2N1792	Выпрямитель с кремниевым управлением (с поддержкой AA)
2N1793	Выпрямитель с кремниевым управлением (с поддержкой AA)
2N1794	Выпрямитель с кремниевым управлением, 110 А (с включением AA)
2N1795	Выпрямитель с кремниевым управлением на 110 А (с включением AA)
2N1796	Выпрямитель с кремниевым управлением на 110 А (с включением AA)
2N1797	Выпрямитель с кремниевым управлением, 110 А (с включением AA)
2N1798	Выпрямитель с кремниевым управлением на 110 А (с включением AA)
2N1799	Выпрямитель с кремниевым управлением на 110 А (с включением AA)
2N1800	Выпрямитель с кремниевым управлением, 110 А (с включением AA)
2N1801	Выпрямитель с кремниевым управлением, 110 А (с включением AA)
2N1802	Выпрямитель с кремниевым управлением, 110 А (с включением AA)
2N1803	Выпрямитель с кремниевым управлением, 110 А (с включением AA)
2N1804	Выпрямитель с кремниевым управлением, 110 А (с включением AA)
2N1842A	Выпрямитель с кремниевым управлением, 10 А, тиристор с фазовым управлением (с включением АА)
2N1843A	Выпрямитель с кремниевым управлением, 10 А, тиристор с фазовым управлением (с включением АА)
2N1844A	Выпрямитель с кремниевым управлением, 10 А, тиристор с фазовым управлением (с включением АА)

— — RadioLibrary

У, У, I, т, т, — 50 10 5 35 — 100 10 5 35 50 50 10 5 35 100 100 10 5 35 — 50 100 — 100 100 — 150 100 50 50 100 100 100 100 150 150 100 10 50 1 2 35 50 50 1 2 35 80 80 1 2 35 150 150 1 2 35 5 50 5 5 20 5 100 5 5 20 5 150 5 5 20 5 200 5 5 20 — 150 — — — — 150 — — — 6 15 3 0,29 2,5 6 30 3 0,29 2,5 6 60 3 0,29 2,5 6 100 3 0,29 2,5 30 30 2 0,1 1,5 15 15 2 0,1 1,5 5 30 2 0,1 1,5 5 15 2 0,1 1,5 30 30 2 0,1 1,5 15 15 2 0,1 1,5 500 1000 150 35 — 500 1000 150 100 — 400 800 150 35 — 400 800 150 35 — 400 800 150 100 — 400 800 150 100 — 300 800 150 35 — 300 800 150 100 — 50 700 12 — 6 50 750 12 — 4 50 700 12 — 8 50 600 12 — — 10 300 0,6 10 200 0,6 10 100 0,6 100 400 15 — 100 200 15 — — 300 100 20 — — 200 100 20 — 6…10 — — — —

Однофазный тиристорный выпрямитель | Plexim

Принцип работы

Однофазный тиристорный выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное на выходе. Поток мощности является двунаправленным между стороной переменного и постоянного тока. Работа схемы зависит от состояния источника переменного тока и угла зажигания α 2-импульсного генератора.Индуктивность источника L _s не учитывается для простоты.

• α = 0 °: Когда угол включения тиристоров равен нулю, данная схема сводится к диодному выпрямителю с индуктивной нагрузкой.
• 0 ° <α <90 °: Угол зажигания больше нуля означает, что тиристор также будет нести положительное запирающее напряжение. Это приводит к отрицательным напряжениям постоянного тока, а также к меньшему среднему напряжению нагрузки V _{нагрузка} = 0,9 · В _{с, действующее значение} · cos (α).
• 90 ° <α <180 °: Схема находится в режиме инвертора, и мощность течет от постоянного тока к переменному току.

Влияние индуктора источника L _с и напряжения нагрузки В _{нагрузка}

• Как и в случае однофазного диодного выпрямителя, индуктивность источника L _с больше нуля приводит к интервалу коммутации тока между парами тиристоров T ₁ / T ₂ и T ₃ / T ₄ . Этот интервал увеличивает угол включения тиристора α и приводит к дальнейшему снижению среднего напряжения нагрузки.
• При увеличении напряжения нагрузки ток через дроссель уменьшается. Как и в случае преобразователей постоянного тока в постоянный, в установившемся режиме считается, что схема работает в режиме прерывистой проводимости, если ток через L _d достигает нуля, и в режиме непрерывной проводимости, если ток никогда не достигает нуля.

Эксперименты

• Установите индуктивность сетки и угол включения тиристора α равными нулю и запустите стационарный анализ.