Тиристоры

Полупроводниковые ключи с p-n-p-n-структурой, обладающие двумя стабильными состояниями и содержащие три р-n-перехода, называются управляемыми полупроводниковыми вентилями или просто тиристорами [ 2,3,5 ].

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи напряжением до 10кВ с токами до 10кА. В то же время частота наиболее мощных приборов обычно не превышает 1кГц. Конструктивное исполнение тиристоров (рис.1. 21) и силовых диодов во многом сходны.

Рис.1. 21

Защита тиристоров. Тиристоры являются приборами, чувствительные к скоростям нарастания прямого тока и прямого напряжения . Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления , резкое спадение которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением . Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа, рассеяния трансформаторов и др. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений и .

Для защиты от высоких значений в цепях с низким полным сопротивлением цепи обычно используется последовательно подключаемый реактор с индуктивностью или насыщающийся реактор. Однако в большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включаемого тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительные индуктивности. Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении тиристора. Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору.

Имеется большое многообразие различных типов тиристоров: динисторы и тринисторы, т.е. характеризуемые по количеству внешних выводов, однооперационные и двухоперационные (запираемые), т.е. отличающиеся по способности управляющего электрода как отпирать, так и запирать ток в силовой цепи, фототиристоры, т.е. управляемые световым излучением и т.д. (рис. 1.22). Среди них следует выделить:

- запираемые тиристоры (см. рис. 1.22, а);

- быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс);

- диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения (см. рис. 1.22, б);

- асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен с встречновключенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока (см. рис. 1.22,в);

- объединенные конструктивно пары встречновключенных тиристоров (симисторы) (см. рис. 1.22, г);

- оптотиристоры, управляемые световым потоком (см. рис. 1.22,д).

Все они имеют свои области рационального применения.

Рис. 1.22

Запираемые тиристоры. Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает эффективность их применения. Для устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые сигналом, подаваемым на управляющий электрод. Среди них в настоящее время чаще всего выделяют три вида запираемых тиристоров:

- запираемый тиристор (GTO), переключаемый в открытое состояние и, наоборот, путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;

- тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT), и его разновидность (IGCT), отличающийся наличием интегральной схемы управления;

- тиристор с полевым управлением (МСТ), который содержит два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а другой - аналогично - процесс выключения тиристора.

Последние разработки GTO и GCT способны блокировать напряжение до 6 кв и управлять током 6 кА. При этом GCT превосходит GTO по быстродействию и стойкости к скоростям изменения напряжения и тока. Коэффициент усиления по току управления в GCT равен 1, что в 3 – 5 раз выше, чем в GTO. В тоже время длительность тока управления в GTC не должна превышать 1 мкс.

Тиристоры типа MCT имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа GTO и GCT в части быстродействия и более простой реализации управления. Современные образцы МСТ показывают способность коммутировать мощности выше 10 МВт при частоте 10 кГц.

Свойство тиристоров. Свойством всех типов тиристоров является регенеративный механизм отпирания, который обусловлен внутренней положительной обратной связью. Ее действие отражает участок отрицательного сопротивления (рис. 1.23). Полупроводниковая структура, принцип действия которой основан на индуцировании электрического поля обратносмещенного перехода, которое управляет анодным током, получила название индукционного тиристора. Структура данного ключа содержит четыре слоя и два p-n-перехода, в ней отсутствует механизм регенерации (рис. 1.24).

Рис. 1.23

Рис. 1.24