1.3. Характеристики различных типов тиристоров

Тиристор является наиболее распространенным элементом в силовой электронике. Тиристор - ключевой полупроводник, элемент с односторонней проводимостью и неполной управляемостью, включается по сигналу управления и выключается при спадании прямого тока до нуля. Устройство и схема тиристора приведена на рис. 10 а,б.

Работа тиристора: если к аноду подключить "+" источника постоянного напряжения, а к катоду "-", то переходы I, III смешены в прямом направлении, II - в обратном. При отсутствии управляемого напряжения Е₁ тиристор заперт.

Для электрических цепей переменного тока разработан симметричный тиристор - симистор, который может проводить ток в обоих направлениях (независимо от полярности приложенного к нему напряжения). Симметричный тиристор имеет пять чередующихся областей. Для перевода тиристора (симистора) в закрытое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него тока в прямом направлении до нуля. Чтобы тиристор смог работать, снова нужно время на процесс рекомбинации носителей в области среднего перехода, которое мало зависит от Е₂.

ВАХ тиристора при различных токах управления приведены на рис. 11,а. ВАХ управляющего электрода i_g = f(u_G) приведены на рис. 11,б.

Предельные характеристики (1,2):

1) соответствует прибору с максимальным входным сопротивлением при минимально допустимых температурах;

2) соответствует прибору с минимальным входным сопротивлением при максимально допустимых температурах. Заштрихованная область минимальных u,i для включенного тиристора. Кривые 3 и 3’ - кривые допустимой мощности на управляющем электроде для различных длительностей управляющих импульсов. Например, управляющий сигнал I_ВКЛ примерно равен сотни миллиампер, I_ВКЛ ≤ 10 В, длительность импульса больше или равна десятка микросекунд, фронт импульса примерно равен 1мкс.

Технические параметры (параметры цепи управления):

1) Время включения тиристора t_gl. Это время от подачи импульса до момента снижения анодного напряжения до 10% начального значения при активной нагрузке. 2) Время выключения t_g. Это время восстановления запирающей способности тиристора. 3) Критическая скорость нарастания прямого напряжения (du_D/dt)_crit при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении du/dt происходит самопроизвольное включение тиристора. 4) Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (di_T/dt)_crit, которую тиристор выдержит без повреждения. 5) Ток в закрытом состоянии I_Н (анодный ток). 6) Ток в открытом состоянии I_Н (наименьший ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии). Для мощных тиристоров I_H равен сотням миллиампер.

Обозначение тиристоров: 1) Т - тиристор и буква (Б - быстродейственный, С - симметричный, Ч - быстровключаюшийся); 2) Три цифры -типоразмер и другие конструктивные данные; 3) Средний ток в амперах; 4) Класс по напряжению и номеру группы по критической скорости нарастания напряжения, времени включения и выключения. Пример: ТБ-133-250-8-52. Тиристор быстродействующий, на ток 250 А; 8 - класс; скорость нарастания напряжения - группа 5 и t_выкл по группе 2.

Современные тиристоры: I_пред = 3000 - 4000 A, U =6000 В. Скорость нарастания напряжения - 1000 В/мкс, а тока 1000 - 1500 А/мкс, t_вкл - единицы мкс.

Имеются также асимметричные тиристоры (AT) и тиристоры с обратной проводимостью (ТОП) (отечественное обозначение ТП), для обеспечения работы в обратном направлении, в качестве диода, введено обозначение ТД (тиристор-диод). Асимметричные тиристоры получаются введением дополнительного слоя с проводимостью n-типа. Быстродействие AT и ТОП тиристоров позволяет использовать их в схемах с повышенными частотами. Рациональная область использования - преобразователи средней мощности.

Запираемые тиристоры (ЗТ)

Тиристор имеет принципиальный недостаток - неполную управляемость. Его выключение обеспечивается спадом прямого тока до нуля, что достигается введением дополнительных узлов принудительной коммутации. Последнее выполняется на основе энергонакопительных элементов (конденсаторов), подключение которых с соответствующей полярностью к тиристору создает условия спада прямого тока до нуля. Это усложняет и утяжеляет устройство, поэтому существуют способы по выключению тиристора путем подачи отрицательного импульса. Для выключения и включения запираемого тиристора обычно используют два отдельных источника. Коэффициент запирания меньше или равен 5 (отношение выключенного анодного тока к запирающему току управления):

I_Авыкл/I_упр ≤ 5

Запираемые тиристоры критичнее к скорости нарастания U_ПРЯМ, поэтому их шунтируют цепью С, R, VD, а для ограничения скорости изменения анодного тока включают индуктивность L, (рис. 12). Параметры ЗТ. Напряжение до 4500 В и ток до 2500 А.