Полупроводниковые выпрямители - Управляемые вентили — тиристоры

Тиристоры являются мощными управляемыми полупроводниковыми приборами, которые отличаются от транзисторов очень высокими значениями коэффициентов усиления управлеяющего сигнала (более 1000), а также большими значениями рабочих токов и напряжений. Основным элементом тиристоров является кремниевый диск с электронным типом электропроводности, в котором специальными технологическими методами создается четырехслойная полупроводниковая структура типа р-пр-п. В результате получается монокристаллическая система с тремя р-п переходами П1, П2, ПЗ, включенными последовательно (рис. 7.а). Крайние два слоя рх и п2 с припаянными к ним металлическими электродами являются соответственно анодом А и катодом К тиристора. К внутреннему слою р2 присоединяется управляющий электрод УЭ. Такую структуру, часто называемую вентильным элементом, монтируют в специальный корпус, имеющий внешние выводы от электродов. Для упрощения конструкции тиристора вывод от УЭ делают в сторону катода (рис. 7,в). При включении тиристора в электрическую цепь с регулируемым источником постоянного напряжения (Уип (рис. 8,я), полярность которого можно изменять, связь между током, протекающим через тиристор в прямом и обратном направлениях, и напряжением между анодом и катодом отражает статическая вольт-амперная характеристика (рис. 8,6). Если на электрод УЭ тиристора управляющий сигнал не подан (/у = 0), а напряжение Unp или UQgp между анодом и катодом не превышает определенного уровня (Unep или соответственно U„), то тиристор имеет большое сопротивление в прямом и обратном направлениях и ток через прибор практически не протекает. Действительно, если к аноду тиристора приложить отрицательное напряжение относительно катода, то к среднему переходу П2 (рис. 8,в) будет приложено прямое напряжение Unр, а к переходам П1 и ПЗ, соединенным последовательно, — обратное напряжение U0gp. В результате тиристор оказывается запертым.

Рис. 7. Управляемый кремниевый вентиль — тиристор: а — схема четырехслойной структуры; условные обозначения тиристоров различных типов: б — динистора, в — триодного, г — фототиристора и д — оптронного Через него и во внешней цепи протекает небольшой обратный ток /0бр, что соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики тиристора, которая подобна ветви /обр = = П<У0бр) силового кремниевого диода (см. рис. 3,e). При подаче на анод тиристора положительного напряжения, не превышающего определенного уровня, например (7пр б < Unep (рис. 8,6), к переходам П1 и ПЗ прикладывается прямое напряжение, а к переходу П2 - обратное напряжение, но так как управляющий сигнал отсутствует, то вентиль остается в закрытом состоянии. В зтом случае через переход П2. а следовательно, и через тиристор проходит в прямом направлении небольшой ток утечки /ут. Перевод тиристоре из "з а к р ы т о г о" состояния в "о т к р ы т о е" при положительном напряжении на аноде может быть осуществлен тремя способами: повышением приложенного напряжения вплоть до напряжения переключения - включение по аноду диодный тиристор.

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики тиристоре: в - схема для снятия характеристик; б - статические вольт-амперные характеристики; в — схематическое устройство тиристоре 2) размыканием анодной цепи или кратковременной подачей на вентиль обратного напряжения, получаемого от вспомогательного источника (обычно от предварительно заряженного конденсатора для выключения тиристора в цепях с питанием от источника постоянного напряжения). При этом начинается процесс рассасывания накопленных в полупроводниковой структуре зарядов (дырок и электронов), в процессе которого через тиристор протекает обратный ток, который после удаления зарядов уменьшается практически до нуля. Таким образом, получают принудительную (искусственную) коммутацию управляемых вентилей. Восстановление запирающей способности тиристора происходит в течение 15-250 мкс в зависимости от типа вентиля ( v мощных приборов время выключения достигает 550 мкс), после этого вентиль снова может выдерживать без включения прямое напряжение. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики тиристора при разомкнутой цепи управляющего электрода ничем не отличается от аналогичной ветви силового диода и также характеризуется пробивным напряжением Un. Аналогично лавинным диодам выпускаются лавинные тиристоры, которые способны рассеивать большую, чем обычные управляемые вентили, мощность при протекании обратного тока. На рис. 8,6 показаны зависимости /обр = f