Раздел: Документация
0 1 2 3 4 5 6 ... 49  Рис 1.9. Структура и внешние цепи тиристора , Если к аноду прибора приложено отрицательное напряжение относительно катода, то переходы I и III будут смещены в обратном направлении (закрыты), а переход II — в прямом (открыт). В результате тиристор оказывается в закрытом состоянии, которое не может быть изменено подачей положительного напряжения на управляющий электрод (относительно катода), т. е. воздействием на цепь управления. Если к аноду тиристора подключить плюс источника постоянного напряжения, а к катоду минус, то переходы I и III оказываются смещенными в прямом направлении, а переход II — в обратном (закрыт). При отсутствии управляющего импульса (т. е. напряжения на управляющем электроде) тиристор остается в закрытом состоянии, а напряжение источника приложено к переходу II. Для того чтобы тиристор перешел в проводящее состояние, необходимо обеспечить протекание через управляющий электрод определенного тока iG. Так как к аноду тиристора приложено прямое напряжение относительно катода, ток iG переведет тиристор в проводящее состояние. Перевод тиристора в проводящее состояние может быть также осуществлен облучением его полупроводниковой структуры световым потоком. На использовании этого эффекта разработаны тиристоры, управляемые светом,— фототиристоры. В основе принципа действия фототиристора лежит явление генерации носителей заряда в полупроводнике, точнее, в р-п переходе II (рис. 1.9), находящемся под воздействием светового потока. Для управления фототиристором в его корпусе предусмотрено окно для пропускания светового потока. Существенным преимуществом фототиристоров перед тиристорами, управляемыми электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовыми приборами и системой их управления. Тиристор с четырехслойной р-п-р-п структурой, как и диод, обладает односторонней проводимостью. Для электрических цепей переменного тока разработан специальный прибор — симметричный тиристор (симистор), который может быть в проводящем состоянии в обоих направлениях (т. е. независимо от полярности приложенного к нему напряжения). Управление симистором производится так же, как и тиристором. Симметричный тиристор в отличие от тиристора имеет пять чередующихся слоев с проводимостями р- и я-типа. Для перевода тиристора (или симистора) в закрытое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него прямого тока до нуля. При этом начинается процесс рассасывания накопленных в полупроводниковой структуре зарядов (дырок и электронов). В течение времени удаления этих накопленных зарядов через тиристор протекает обратный ток, который после удаления зарядов падает практически до нуля, и обратное напряжение на тиристоре возрастает до значения, определяемого напряжением подключенного к нему источника. Однако для того чтобы тиристор мог снова выдерживать без включения прямое напряжение, необходимо некоторое время. Это время выключения тиристора, в течение которого происходит восстановление его запирающей способности, обусловлено процессом рекомбинации носителей в области среднего перехода, который мало зависит от внешнего напряжения. Вольт-амперные характеристики тиристора при различных токах управления приведены на рис. 1.10, а. При обратном напряжении эта характеристика у тиристора такая же, как и у диода (у некоторых типов тиристоров обратная ветвь соответствует характеристике лавинного диода). Ветви характеристики, соответствующие области прямого напряжения, зависят от тока управления и при достаточном его значении практически совпадают с аналогичной ветвью вольт-амперной характеристики диода. При отсутствии управляющего тока тиристор будет находиться в закрытом состоянии до тех пор, пока прямое напряжение не превысит  определенного для данного типа тиристора значения, после чего он перейдет в проводящее состояние. Включение тиристора прямым напряжением обычно соответствует аварийным режимам. Поскольку включение тиристора зависит от управляющего тока, то в информационных материалах обычно приводят также диаграмму вольт-амперных характеристик управляющего электрода (входных) /g=/("g) (Рис- 110, б). На ней приводятся предельные характеристики (кривые / и 2). Кривая 1 соответствует прибору с максимальным входным сопротивлением при минимально допустимой температуре, а кривая 2 — прибору с минимальным входным сопротивлением при максимально допустимой температуре. Сверху и справа диаграмма ограничивается прямыми, соответствующими предельно допустимым значениям тока управления IGmax и напряжения на управляющем электроде UG тах (в зависимости от температуры). Внизу диаграммы также указывают область (на рис. 1.10,6 эта область заштрихована), которая ограничена минимальными значениями тока и напряжения, необходимыми для включения любого тиристора данного типа. Кроме того, на диаграмме обычно приводятся кривые допустимой мощности на управляющем электроде для различных значений длительности управляющих импульсов (например, кривые 3 и 3). Большинство типов тиристоров включаются токами со значениями несколько сотен миллиампер при напряжении на управляющем электроде, не превышающем 10 В. Длительность управляющего импульса должна быть больше нескольких десятков микросекунд (в зависимости от типа тиристора). Для четкого и быстрого включения тиристора управляющие импульсы должны иметь крутой фронт (около 1 мкс). Некоторые параметры, которыми характеризуются тиристоры, аналогичны параметрам, указанным выше для диодов. Кроме того, в технических условиях, помимо параметров цепи управления, обычно указываются: 1.Время включения tgt тиристора. Это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодного напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку. 2.Время выключения tq тиристора (называемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время от момента, когда прямой ток становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не открываясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания. 3.Критическая скорость нарастания прямого напряжения (duD/dt)„it. Это максимально допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении допустимого значения (duD/dt)„it происходит самопроизвольное включение тиристора. 4.Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (diTldt)crit. Это наибольшее значение скорости нарастания тока в открытом состоянии, которую тиристор может выдержать без повреждения. 5.Ток в закрытом состоянии тиристора ID. Это анодный ток тиристора в закрытом состоянии. 6.Ток в открытом состоянии тиристора 1Н. Это наименьший анодный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии. Ток 1Н необходимо учитывать при расчете минимальных нагрузок тиристорных преобразователей. Обычно для мощных тиристорой этот ток равен нескольким сотням миллиампер и зависит от температуры. Согласно [1 ] в обозначении тиристора должны содержаться следующие элементы: буква Т, обозначающая тиристор, и буква, обозначающая вид тиристора (Б — быстродействующий, С — симметричный, Ч — быстровыключающийся и др.); три цифры, характеризующие типоразмерный ряд и другие конструктивные данные; / число, указывающее средний ток в амперах; класс по напряжению и номера групп по критической скорости нарастания напряжения, временам включения и выключения и др. Например, тиристор быстродействующий типа ТБ-133 на ток 250 Д, восьмого класса, с критической скоростью нарастания напряжения по группе 5 и временам выключения по группе 2 обозначается: ТБ-133-250-8-52. Современные наиболее мощные тиристоры имеют предельный ток 3000—4000 А и напряжение до 6000. В. При этом критическая скорость нарастания напряжения достигает 1000 В/мкс, а тока (1000—1500) А/мкс. Время выключения наиболее быстродействующих мощных тиристоров не превышает нескольких единиц, микросекунд. . В схемах многих "типов преобразователей к тиристорам подключаются встречно-параллельные диоды, шунтирующие тиристор при появлении на нем обратного напряжения. В таких случаях обратное напряжение на тиристоре становится малым и не превышает значений прямого падения напряжения на диодах (как правило, долей вольта). Это обусловило разработку других типов тиристоров — асимметричных (AT) и тиристоров с обратной проводимостью (ТОП). В отечественных стандартах они определяются как тиристоры, проводящие ъ обратном направлении и обозначаются ТП. Для тиристоров, проводящих в обратном направлении и допускающих работу в обратном направлении в качестве диода, введено обозначение ТД (ти-ристодиод) [1 ]. Асимметричные тиристоры получаются введением в структуру тиристора дополнительного слоя с проводимостью и-типа. В результате значение обратного напряжения, выдерживаемого тиристором без, его включения, значительно снижается (до нескольких десятков вольт). Однако при этом существенно (в 2 — 3 раза) уменьшается время выключения тиристора. Такими же свойствами обладает и тиристор с обратной проводимостью, имеющий подобно AT пятислойную структуру и дополнительное диодное кольцо. Быстродействие тиристоров AT и ТОП позволяет использовать их в схемах с повышенными частотами. Рациональная область использования AT и ТОП — преобразователи средней мощности. Запираемые тиристоры (ЗТ). Тиристор Имеет принципиальный недостаток — неполную управляемость. Для его выключения необходимо обеспечить спад прямого тока до нуля, что достигается во многих схемах электронных устройств введением дополнительных узлов принудительной (искусственной) коммутации. Последние выполняются на основе энергонакопительных устройств (обычно конденсаторов), подключение которых в соответствующей полярности к проводящему тиристору создает условия для спадания до нуля прямого тока тиристора. Эти дополнительные коммутирующие узлы утяжеляют тири-сторное устройство и значительно ухудшают его технико-экономические характеристики. Поэтому параллельно с разработкой тиристоров проводились исследования возможности их выключения по управляющему электроду путем подачи на него отрицательного управляющего импульса. Однако положительные результаты этих исследований долгое время ограничивались созданием относительно небольших по значениям тока (до нескольких десятков ампер) ЗТ, что ограничивало их конкурентоспособность по напряжению к силовым транзисторам. В то же время развитие схемотехники преобразовательных устройств постоянно повышало актуальность решения этой проблемы. В результате интенсификации работ в этом направлении, а также благодаря достижениям в области технологии силовых полупроводниковых приборов за последние десять лет были созданы и постоянно совершенствуются мощные ЗТ. Высокие технические характеристики ЗТ достигаются главным образом за счет изменения структуры ЗТ по сравнению со структурой тиристоров. В частности, в структурах ЗТ обеспечивается высокая проводимость зоны управляющего элемента, что позволяет более интенсивно блокировать протекание прямого тока при подаче на управляющий электрод отрицательного относительно катода импульса. Важную роль в решении этой задачи сыграло совершенствование технологии полупроводниковых приборов, которое позволило обеспечить однородность электрических свойств/ отдельных слоев структуры и воз-, можность управления временем жизни носителей в процессе изготовления прибора.  Рис. 1.11. Типовая схема включения запираемого тиристора Для включения и выключения ЗТ обычно используются два отдельных источника напряжения (рис. 1.11). При выключении ЗТ следует стремиться обеспечить оптимальную (по времени выключения и коммутационным потерям мощности) скорость нарастания тока управления. Это может быть достигнуто введением соответствующего значения индуктивности в цепь управления по выключению. Схема управления ЗТ должна обеспечивать: мощные импульсы токов включения и выключения, длительный ток управления при малых нагрузках тиристора, длительное отрицательное запирающее напряжение для надежного выключения тиристора. Коэффициент запирания (отношение выключаемого анодного тока к запирающему току управления) обычно не превышает 5. Следует отметить, что ЗТ более критичны к скорости нарастания прямого напряжения, чем тиристоры, и поэтому рекомендуется, как правило, шунтировать ЗТ цепью, состоящей из конденсатора С, резистора r и диода vd, а для ограничения значения анодного тока при включении последовательно с ЗТ включить насыщающийся дроссель l (рис. 1.11). Параметры коммутируемых токов и напряжений современными ЗТ приближаются к аналогичным параметрам тиристоров. Так, например, лучшие образцы ЗТ, разработанные в 1986 г. фирмами Японии, рассчитаны на тапряжение до 4500 В и ток до 2500 А. 1.1.4. ПРИМЕНЕНИЕ СИЛОВГХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Тиристоры и силовые диоды пока остаются основными приборами в области преобразования сверхвысоких мощностей (до нескольких гигавольт-ампер), например, в высоковольтных линиях электропередачи постоянного тока. Новые приборы находят широкое применение в агрегатах беснеребойного 0 1 2 3 4 5 6 ... 49
|
