2.6 Динамические параметры и характеристики

Свойства тиристоров при переключении характеризуются динамическими параметрами, которые раскрывают возможности их по быстродействию и по устойчивости к скорости нарастания анодного тока при включении и к скорости приложения напряжения в прямом направлении. Определение временных параметров поясняется на рисунке. 2.11, который иллюстрирует коммутационные процессы в схеме с тиристором при активной нагрузке.

Время включения t_g измеряется промежутком времени от момента подачи управляющего импульса до момента времени, который соответствует снижению анодного напряжения на тиристоре до 10% от первоначального значения (рисунок 2.11, а). Условно время включения можно разделить на две составляющие: время задержки t_gd и время нарастания t_gr, т.е.

t_g = t_gd + t_gr . (2.10)

Времени задержки соответствует промежуток времени, в течение которого анодное напряжение снижается до 90 % от начального значения. В активной цепи за этот промежуток анодный ток нарастает до 10 % от установившегося значения. Время задержки в сильной степени зависит от параметров управляющих сигналов, что видно из приведенных на рисунке 2.12 зависимостей. Уменьшение t_gd с увеличением амплитуды и крутизны фронта управляющего импульса на практике используется для сокращений естественного разброса по времени включения отдельных тиристоров при групповом их соединении. Это, в свою очередь, способствует более равномерному распределению тока и напряжения соответственно по параллельно и последовательно соединенным приборам.

Время нарастания, определяемое промежутком времени, за который анодное напряжение на тиристоре снижается с 90 до 10 % от начального значения, в основном зависит от значения коммутируемого тока - растет с увеличением последнего.

Время выключения t_q (рисунок 2.11, б) характеризует быстродействие тиристора при переключении его из проводящего в запертое состояние. Оно определяется интервалом времени от момента перехода прямого тока через нуль до момента времени, когда тиристор становится способным вновь выдерживать прикладываемое в прямом направлении напряжение с заданной амплитудой и скоростью нарастания.

Величина t_q зависит от ряда факторов: температуры, значения предшествующего коммутации тока, скорости спада прямого тока при подходе к нулевому значению, значений du/dt, амплитуды повторно прикладываемого прямого напряжения и др. Поэтому, приводимые в информационных материалах, относящихся к тиристорам, значения t_q оговариваются условиями, при которых производились измерения. Для неспециальных типов тиристоров, как правило, время выключения измеряется при максимальной рабочей температуре, прямом токе, равном предельному, -di_A/dt=5 А/мкс, U_R=100 В, U_D =0,67U_П и критической скорости нарастания прямого напряжения (в соответствии с группой по du/dt).

Важной составляющей времени выключения является время запаздывания обратного напряжения (t_S, на рисунке 2.11, б). Оно определяется интервалом времени от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током амплитудного значения I_Rm.

Рисунок 2.11 − Временные характеристики тиристора

Процесс восстановления запирающей способности в обратном направлении связан с удалением из базовых областей структуры накопленного к моменту перехода тока через нуль заряда неосновных носителей Q_r.

Взаимосвязь между значением заряда восстановления и временем восстановления запирающих свойств прибора в обратном направлении t_r устанавливается соотношениями:

и tr , (2.11)

где I_Rm − амплитуда выброса обратного тока; di_T/dt − скорость спада прямого тока при подходе его к нулевому значению.

Рисунок 2.12 − Типовые зависимости времени включения

(в относительных единицах) от параметров управляющего

импульса для тиристоров средней мощности

Критические значения (di_T/dt)_crit и (du/dt)_crit определяют соответственно максимально допустимую скорость нарастания прямого тока при включении тиристора и скорость приложения напряжения в прямом направлении.

Воздействие скорости нарастания напряжения du/dt на структуру тиристора вызывает тот же эффект, что и ток управления, − способствует переключению структуры в проводящее состояние при U<U_(BO). Очевидно, что для реальных коммутирующих устройств превышение допустимой величины (du/dt)_crit и может привести к самопроизвольному (аварийному) их включению. В аппаратах переменного тока, где используется встречно-параллельное соединение тиристоров, ограничение du/dt имеет особенно важное значение, так как при каждом коммутационном режиме восстанавливающееся напряжение прикладывается к одному из тиристоров в прямом направлении. Превышение (du/dt)_crit в этом случае приводит к утрате аппаратом способности выключаться.

Необходимость ограничения скорости нарастания прямого тока объясняется тем, что переключение структуры в проводящее состояние происходит не одновременно по всей площади. Сначала включается лишь небольшая область, расположенная в непосредственной близости от управляющего электрода. Протекание через эту область больших токов может вызвать локальный перегрев структуры и ее повреждение. С течением времени включенное состояние структуры распространяется по всей площади со скоростью, примерно равной 0,1 мм/мкс, и ограничения по di_T/dt снимаются.