Переходные процессы и динамические параметры

Тиристоры используются в различных радиоэлектронных уст­ройствах и устройствах автоматики как управляемые ключи. Тири­сторы применяют также в генераторах импульсного, пилообразного напряжения или генераторах синусоидальных колебаний, где они подключают с заданной частотой источник питания к колебательно­го контуру.

Тиристоры изготовляют из кремния методом сплавления и диф­фузии. Кремниевые переходы при обратном включении имеют ма­лые токи, высокую температурную устойчивость, что обеспечивает стабильность параметров тиристоров.

Статический и динамический (переходный) режимы работы ти­ристоров характеризуются в справочниках большим числом пара­метров. Статические параметры, связанные с особыми точками ВАХ, отмечались при рассмотрении физических процессов в тиристорах. Это напряжение и ток переключения (, ), ток удержа­ния I_уд, ток управления I_у.

Для применения тиристоров в цепях переменного тока и им­пульсных цепях важно знать динамические параметры процессов включения и выключения.

Анализ переходных процессов в тиристоре достаточно сложен, так как необходимо учитывать характер нагрузки (активная или реа­ктивная), частоту переключения и другие внешние факторы. Мы ог­раничимся основными сведениями о процессах, типичными пере­ходными характеристиками и динамическими параметрами.

Процесс включения тиристора. На рис. 6.8,а приведены типи­чные характеристики переключения тиристора из закрытого состо­яния в открытое. В момент на тиристор воздействует импульс то­ка управления, вызывающий переходный процесс включения. Та­кой способ включения является наиболее распространенным. Ин­тервал времени от момента начала управляющего импульса до мо­мента, когда напряжение U на тиристоре уменьшается до 0,9 от его амплитудного значения или когда ток нарастает до 0,1 от амплиту­ды тока, называют временем задержки . Интервал времени, за который напряжение спадает от 0,9 до 0,1 от начального значения, а ток нарастает от 0,1 до 0,9 от амплитуды, называется временем нарастания . Сумму времени задержки и времени нарастания называют временем включения: .

Включение маломощных тиристоров (ток менее 0,3 А) со срав­нительно малой площадью сечения отличается тем, что проводя­щее состояние занимает практически всю площадь сечения. Это облегчает анализ переходных процессов, так как может быть использована двухтранзисторная модель тиристора (см. рис. 6.2). В тиристорах с большим током (10...50 А) приходится использовать значительные площади сечения, поэтому тиристор целесообразно рассматривать как параллельное соединение нескольких тиристо­ров с меньшим сечением, но связанных друг с другом резистора­ми базовых областей, которые обеспечивают управление (обла­стей p₁ на рис. 6.6). В той части структуры, которая расположена ближе к управляющему электроду, управляющее напряжение уста­навливается относительно быстро, а на удаленных частях это напряжение оказывается меньше на величину падения напряжения на резисторах. Поэтому основная доля тока протекает вблизи уп­равляющего электрода. Другими словами, появляется неравно­мерное включение тиристора. Область включения с относительно малой скоростью «распространяется» по всей площади структуры. Полное "включение" площади произойдет в результате диффузии и дрейфа носителей заряда от области начального включения в по­перечном (радиальном) направлении.

Образование области начального включения происходит отно­сительно быстро, и она имеет малые размеры (0,1...0,5 мм²). Плот­ность тока в этой области вблизи управляющего электрода может изменяться в диапазоне 1...100 А/см², а температура может воз­расти от начального уровня до значения, близкого к температуре плавления кремния (около 1000°С). Плотность тока и энергии вбли­зи управляющего электрода увеличивается с ростом di/dt. Описан­ное явление получило название эффекта локализации энергии или эффекта di/dt. В справочниках указывается критическое зна­чение (di/dt)_кр, до которого сохраняется работоспособность данно­го тиристора.

Процесс выключения тиристора. Для анализа процесса вы­ключения используется также двухтранзисторная модель тиристо­ра. В момент (рис. 6.8,6) во включенном состоянии все три пере­хода тиристора имеют прямое включение. Поэтому в приборе накапливаются избыточные неосновные и основные носители заряда, концентрация которых пропорциональна прямому току. Для пере­вода прибора в закрытое состояние избыточные носители должны быть удалены электрическим полем либо должны рекомбинировать. На рис. 6.8,б показано изменение тока при выключении тири­стора путем быстрого изменения полярности напряжения тиристо­ра в момент . Аналогичное изменение тока происходит в диоде при скачкообразном изменении напряжения на нем с прямого на обратное (см. § 3.8.1 и рис. 3.26). Ток, резко убывая, проходит че­рез нулевое значение и становится обратным. После достижения максимального значения он убывает и в момент принимает уста­новившееся значение, соответствующее выключенному состоя­нию тиристора.

Время выключения определяют как наименьший интервал времени между моментом, когда основной ток после внешнего пере­ключения основных цепей понизился до нуля, и моментом, когда тиристор способен выдержать в закрытом состоянии определенную скорость его нарастания. Объясним влияние скорости нарастания напряжения. Коллекторный переход в тиристоре обладает барьер­ной емкостью, которая зависит от напряжения. При изменении на­пряжения на переходе через барьерную емкость С протекает емко­стный ток, пропорциональный емкости и скорости изменения напря­жения = SC(U)dU/dt, где S – площадь перехода. Протекание емко­стного тока коллекторного перехода в период нарастания анодного напряжения эквивалентно подаче импульса прямого тока, способст­вующего переключению тиристора в открытое состояние (облегча­ется выполнение условия ( =1). Вследствие этого тиристор переходит в открытое состояние при меньшем амплитудном значе­нии напряжения, меньшем напряжении переключения в стати­ческом режиме (когда нет емкостного тока).

Эффект dU/dt иногда специально используют как способ вклю­чения тиристора. Однако зачастую этот эффект является нежела­тельным, а к тиристорам предъявляется требование выдерживать высокую скорость нарастания анодного напряжения без существенного снижения напряжения переключения. В справочниках для тиристоров указывают критическое значение (dU/dt) .

Недостатком тиристорных ключей по сравнению с биполярны­ми является относительно низкое быстродействие, особенно при выключении. Время выключения тиристоров составляет десятки микросекунд. И оно тем больше, чем выше переключаемая мощ­ность (ток). Большинство тиристоров включается по маломощной цепи управляющего электрода, а выключается по мощной (сило­вой) анодной цепи, что усложняет системы коммутации. Следует отметить, что выпускаются тиристоры, включение и выключение которых производится только управляющим электродом – измене­нием направления управляющего тока. Такие тиристоры называ­ются запираемыми тиристорами. Тиристоры считаются низкочас­тотными, если время выключения более 50 мкс, (di/dt) не более 100 А/мкс, а высокочастотными при не более 50 мкс и (di/dt) не более 100 А/мкс.