Переходные процессы включения и выключения тиристора

Рассмотрим процесс включения тиристора. Тиристор включается подачей импульса тока на его управляющий электрод. Так как после отпирания вентиля ток управления больше не влияет на его работу, то для управления тиристора применяются кратковременные импульсы. Для четкого включения импульс тока управления должен иметь достаточную крутизну.

При подаче импульса управления (рис. 7.4, а) тиристор переходит из запертого состояния в открытое не мгновенно, так как для инжекции носителей электричества в слои p₂ и n₁ требуется определенное время. За время включения t_вкл (рис. 7.4, б) принимают промежуток времени от момента подачи импульса до момента когда прямое напряжение U_пр уменьшается до 10% от первоначального значения.

t₃ – время задержки, t_н – время нарастания тока

Рис. 7.4. Временные диаграммы электромагнитных процессов тиристора

при его включении

В зависимости от мощности тиристора время включения t_в=2¸20 мкс.

Физически в течении времени задержки t₃ происходит первоначальная инжекция электронов из эмиттерной области П₂ в базовую область p₂. Ток, проходящий через вентиль за это время, увеличивается сравнительно медленно и определяется числом электронов, протекающих через переход П₂. За время нарастания тока t_н происходит резкое уменьшение сопротивления перехода П₂, что вызывает лавинообразное нарастание тока I_пр. Переходный процесс заканчивается с установлением на приборе значения напряжения DU_пр, а ток I_пр достигает установившегося значения I_пр. С увеличением амплитуды импульса тока управления и крутизны площади фронта время задержки и время нарастания тока уменьшается.

Выключить тиристор можно уменьшая I_пр ниже значения тока удержания, но в этом случае время запирания будет большим. Чтобы его снизить к тиристору необходимо приложить обратное напряжение. В этом случае начинается процесс исчезновения носителей электричества из всех слоев, за счет их рекомбинации и ухода через p-n-переходы.

Рассмотрим процесс выключения тиристора (рис. 7.5). Он состоит из нескольких этапов:

1) за временя t₁ происходит уход дырок и электронов из зон, прилегающих к переходам П₁ и П₃, что вызывает появление в цепи вентиля обратного тока I_обр, при этом DU_пр еще остается положительным;

2) в период времени t₂ переходы П₁ и П₃ восстанавливают свои запирающие свойства и обратный ток уменьшается до значения тока утечки. Напряжение на тиристоре при этом равно обратному напряжению (определяется источником тока).

Рис. 7.5. Временные диаграммы тиристора при его выключении

Время (t₁+t₂) – время восстановления запирающих свойств вентиля в обратном направлении. Однако, за это время вентиль не восстанавливает свои запирающие свойства при включении в прямом направлении, так как в зонах прилегающих к переходу П₂ имеется еще достаточная концентрация дырок и электронов. Снижение ее осуществляется в результате рекомбинации дырок и электронов и требует некоторого времени t₃. Только после этого переход П₂ запирается и появляется возможность прикладывать к вентилю прямое напряжение.

Сумма (t₁+t₂+t₃) – время выключения тиристора или время восстановления запирающих свойств в прямом направлении. Обычно время выключения тиристора много больше времени включения, и именно оно является определяющим при выборе частоты включения тиристоров в преобразователях (t_выкл=12¸250 мкс).

Тиристоры, в зависимости от времени выключения, делятся на девять групп.

Большое значение для работы тиристора имеет скорость нарастания прямого напряжения на закрытие вентиля. Запираемый тиристор подобен конденсатору, через который протекает зарядный ток. Этот ток пропорционален скорости изменения приложенного к нему напряжения, если он достигает значения тока включения, то возможно открытие тиристора при отсутствии сигнала управления и при условии что U_пр< U_вкл. Минимальная скорость нарастания прямого напряжения, при которой включается тиристор, даже при номинальном напряжении и отсутствии сигнала на управляющем электроде называется критической скоростью нарастания прямого напряжения. Обозначается .

В зависимости от значения критической скорости нарастания напряжения тиристоры делятся на семь групп (от 0 до 6). На электроподвижном составе и тяговых подстанциях применяют тиристоры с значением критической скорости нарастания напряжения ³ 200 В/мкс.

Ограничивается также скорость нарастания прямого тока. В зависимости от этой величины тиристоры делятся на девять групп (от 1до 9). На электроподвижном составе и тяговых подстанциях применяют тиристоры с значением критической скорости нарастания тока ³ 70 А/мкс.

Основные параметры тиристоров:

– предельный прямой ток I_пр;

– перегрузочная способность;

– прямое падение напряжения DU_пр;

– повторяющееся и неповторяющееся прямое или обратное напряжение;

– сопротивление вентиля в прямом и обратном направлении;

– температурный режим.

Кроме того, существуют специфические параметры:

– напряжение включения;

– токи включения и удержания;

– обратный и прямой токи утечки;

– скорость нарастания прямого тока при включении;

– скорость нарастания прямого напряжения на закрытом вентиле;

– время включения и выключения;

– ток, напряжение и предельное значение мощности в цепи управления.

Прямое падение напряжения DU_пр при I_пр у тиристоров больше, чем у диодов (1,75¸2,3 В), вследствие того, что выпрямительный элемент имеет большую толщину и ток преодоливает сопротивления трех p-n-переходов.

Напряжение включения тиристора приблизительно равно максимальному обратному пробивному напряжению, так как обе эти величины определяются электрической прочностью двух p-n-переходов, следовательно они зависят от класса вентиля.

При повышенной температуре значение напряжения включения, так же как и значение напряжения пробоя, уменьшается. Обратный и прямой токи утечки характеризуют вентильные свойства закрытого тиристора в прямом и обратном направлениях для мощных тиристоров. Эти токи находятся в пределах 20¸40 мА при предельном значении приложенного напряжения и максимально допустимой температуры структуры.

Приведем пример маркировки тиристора.

Т 353 - 800 - 28 - 61 УХЛ 2

Т – тиристор,

3 – порядковый номер модификации конструкции,

5 – модификация по диаметру корпуса (73 мм) по таблице,

3 – конструктивное исполнение корпуса (таблеточный),

800 – предельный ток, А,

28 – класс тиристора,

6 – группа по критической скорости нарастания напряжения (),

1 – группа по времени выключения (для 1 группы 500 мкс),

УХЛ – климатическое исполнение,

2 – категория размещения (в закрытых холодных помещениях).

7.2. Лавинные тиристоры (ЛТ)

В тиристорах, за счет специальных технологий, можно создать такую структуру, в которой при подаче обратного напряжения возникает лавинный пробой. Такие тиристоры не выходят из строя при подаче на них большого значения обратного напряжения. Маркируются буквами ТЛ. В отличие от обыкновенных, лавинные тиристоры имеют лавинные области на прямой и обратной ветвях ВАХ (рис. 7.5).

Лавинная область позволяет включать тиристор не только с помощью тока управления, но и подачей на анод прямого напряжения большего чем напряжение включения. Лавинные тиристоры ограничивают кратковременные импульсы напряжения, как и выпрямительные лавинные диоды. При этом рассеиваемая энергия на p-n-переходе должна быть не выше 1 Дж.

Рис. 7.5. Вольтамперная характеристика лавинного тиристора

Применение в этих приборах кремния высокой очистки и однородности, а так же технология изготовления p-n-переходов позволяет повысить допустимую температуру до 140^°С, что позволяет увеличить номинальный ток без увеличения площади p-n- перехода.

Использование лавинных тиристоров в преобразовательных устройствах дает возможность обойтись без дополнительных устройств защиты и равномерность распределения напряжения между последовательно включенными вентилями.

Дата добавления: 2014-01-06