Тиристоры

Добавлено 12 ноября 2016 в 19:20

Глава 2 - Теория твердотельных приборов

Тиристоры – это широкий ряд биполярных полупроводниковых приборов, имеющих четыре (или более) перемежающихся N-P-N-P слоя. Тиристоры включают в себя: управляемые кремниевые выпрямители (SCR), симисторы (TRIAC), запираемые тиристоры (GTO), кремниевые управляемые коммутаторы (SCS), динисторы (диодные тиристоры, «диоды для переменного тока», DIAC), однопереходные транзисторы (UJT), программируемые однопереходные транзисторы (PUT). В данном разделе рассматривается только управляемые кремниевые выпрямители (SCR), хотя упоминаются и запираемые тиристоры (GTO).

Шокли предложил четырехслойный диодный тиристор в 1950 году. Но он был реализован спустя годы компанией General Electric. В настоящее время управляемые кремниевые выпрямители (SCR) способны работать с мощностями уровнями от ватт до мегаватт. Самые маленькие приборы в корпусах, как у маломощных транзисторов, коммутируют токи в сотни миллиампер при переменных напряжениях около 100 В. Самые большие приборы, в корпусах диаметром 172 мм, коммутируют токи 5600 ампер при переменном напряжении 10 000 вольт. Самые мощные управляемые кремневые выпрямители (SCR) могут состоять из полупроводниковой пластины диаметром в сотни миллиметров.

Управляемый кремниевый выпрямитель (SCR): (a) профиль легирования, (b) эквивалентная схема на биполярных транзисторах
Управляемый кремниевый выпрямитель (SCR): (a) профиль легирования, (b) эквивалентная схема на биполярных транзисторах

Управляемый кремниевый выпрямитель – это четырехслойный диод с управляющим электродом (показан на рисунке (a) выше). Если он включен, то он проводит ток, как диод, только в одном направлении. Если он не запущен, то он не проводит ток совсем.

Принцип его работы объясняется, исходя из эквивалента из соединенных транзисторов, показанного на рисунке выше (b). Положительный сигнал запуска прикладывается между управляющим выводом и катодом. Это приводит к тому, что эквивалентный NPN транзистор начинает проводить ток. Коллектор проводящего NPN транзистора подтягивается вниз, перемещая базу PNP транзистора к своему напряжению, что приводит к тому, что и PNP транзистор начинает проводить ток. Коллектор проводящего PNP транзистора подтягивается вверх, перемещая базу NPN транзистора в своем направлении. Эта положительная связь (регенерация) усиливает уже и без того проводящее состояние NPN транзистора. Более того, NPN транзистор будет теперь проводить ток даже при отсутствии сигнала на управляющем электроде. После того, как управляемый кремниевый выпрямитель (SCR) начал проводить ток, он продолжит это делать до тех пор, пока на аноде присутствует положительное напряжение. Для батареи постоянного тока, показанной на рисунке, это навсегда. Однако SCR тиристоры чаще всего используются с источниками переменного тока или импульсными источниками. Проводимость прекращается с окончанием положительной полуволны синусоиды на аноде. Кроме того, практические схемы на SCR тиристорах полагаются на этап периода переменного тока, идущий к нулю, к отсечке или переключению управляемого кремниевого выпрямителя (SCR).

Рисунок ниже (a) показывает профиль легирования управляемого кремниевого выпрямителя (SCR тиристора). Обратите внимание, что катод, который соответствует эмиттеру NPN транзистора на эквивалентной транзисторной схеме, сильно легирован, что показывает N+. Анод также сильно легирован (P+). Он соответствует эмиттеру PNP транзистора на эквивалентной транзисторной модели. Два средних слоя, соотвествующих областям базы и коллектора, легированы менее сильно: N- и P. Профиль мощного SCR тиристора может быть разбросан по всей полупроводниковой пластине значительного диаметра.

Тиристоры: (a) поперечное сечение, условные обзначения (b) управляемого кремниевого выпрямителя (SCR) и запираемого тиристора (GTO)
Тиристоры: (a) поперечное сечение, условные обзначения (b) управляемого кремниевого выпрямителя (SCR) и запираемого тиристора (GTO)

Условные графические обозначения SCR и GTO тиристоров показаны на рисунке выше (b и c). Базовое обозначение диода показывает, что проводимость от катода к аноду является однонаправленной, как и у диода. Добавление управляющего электрода указывает на управление проводимостью диода. Запираемый тиристор (GTO) имеет двунаправленные стрелки на управляющем выводе, показывая, что проводимость может быть отключена отрицательным импульсом, а также включена положительным импульсом.

В дополнение к вездесущим кремниевым SCR тиристора были произведены экспериментальные устройства из карбида кремния. Карбид кремния (SiC) работает при более высоких температурах и проводит тепло лучше, чем любой метал. Это должно дать возможность создавать устройства с меньшими физическими размерами и способные работать с более высокими мощностями.

Подведем итоги

  • Управляемые кремниевые выпрямители (SCR тиристоры) являются наиболее распространенным членом в тиристорном семействе четырехслойных диодов.
  • Положительный импульс, приложенный к управляющему выводу SCR тиристора, приводит его к состоянию проводимости. Проводимость продолжается, даже если импульс на управляющем электроде пропадет. Проводимость прекращается, только когда напряжение между анодом и катодом падает до нуля.
  • SCR тиристоры чаще всего используются с источниками переменного тока (или импульсными источниками) из-за своей непрерывной проводимости.
  • Запираемый тиристор (GTO) пожет быть выключен подачей отрицательного импульса на управляющий электрод.
  • SCR тиристоры могут коммутировать мегаватты мощности, до 5600 А и 10 000 В.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке