Тиристор - Thyristor

Тиристор
SCR1369.jpg
Тиристор
Тип Активный
Первая продукция 1956 г.
Конфигурация контактов анод , затвор и катод
Электронный символ
Символ схемы тиристора.svg

Тиристора ( / θ aɪ г ɪ ы т ər / ) представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с четырьмя слоями переменного P- и N-типа материалов. Он действует исключительно как бистабильный переключатель, проводящий, когда затвор получает триггер тока, и продолжает проводить до тех пор, пока напряжение на устройстве не изменится на обратное, или пока напряжение не будет снято (каким-либо другим способом). Есть две конструкции, различающиеся тем, что запускает проводящее состояние. В трехвыводном тиристоре небольшой ток на его выводе затвора управляет большим током на пути от анода к катоду. В двухвыводном тиристоре проводимость начинается, когда разность потенциалов между анодом и катодом достаточно велика (напряжение пробоя).

Некоторые источники определяют кремниевый выпрямитель (SCR) и тиристор как синонимы. Другие источники определяют тиристоры как более сложные устройства, которые включают по крайней мере четыре слоя чередующейся подложки N-типа и P-типа.

Первые тиристорные устройства были выпущены в продажу в 1956 году. Поскольку тиристоры могут управлять относительно большой мощностью и напряжением с помощью небольшого устройства, они находят широкое применение в управлении электрической мощностью, начиная от регуляторов освещенности и управления скоростью электродвигателя до высокого напряжения. передача электроэнергии постоянного тока . Тиристоры могут использоваться в схемах переключения мощности, схемах замены реле, схемах инверторов, схемах генераторов, схемах датчиков уровня, схемах прерывателей, схемах диммирования света, схемах недорогих таймеров, логических схемах, схемах регулирования скорости, фазовых цепях. схемы управления и т. д. Первоначально для отключения тиристоров требовалось только реверсирование тока, что затрудняло их применение для постоянного тока; более новые типы устройств можно включать и выключать с помощью управляющего сигнала. Последний известен как тиристор выключения затвора или тиристор GTO. В отличие от транзисторов , тиристоры имеют двузначную характеристику переключения, что означает, что тиристор может быть только полностью включен или выключен, в то время как транзистор может находиться между включенным и выключенным состояниями. Это делает тиристор не подходящим в качестве аналогового усилителя, но полезным в качестве переключателя.

Вступление

Тиристор представляет собой четырехслойный трехконтактный полупроводниковый прибор, каждый слой которого состоит из чередующегося материала N-типа или P-типа , например PNPN. Основные выводы, обозначенные как анод и катод, расположены на всех четырех слоях. Управляющий вывод, называемый затвором, прикреплен к материалу p-типа рядом с катодом. (Вариант, называемый SCS - кремниевый управляемый переключатель - выводит все четыре слоя на клеммы.) Работа тиристора может быть понята с точки зрения пары тесно связанных биполярных переходных транзисторов , расположенных так, чтобы вызывать самозакрывающееся действие:

Структура на физическом и электронном уровне и обозначение тиристора.

Тиристоры имеют три состояния:

  1. Обратный режим блокировки - напряжение подается в направлении, которое может быть заблокировано диодом.
  2. Режим прямой блокировки - напряжение подается в направлении, которое заставило бы диод проводить, но тиристор не был запущен в проводимость.
  3. Режим прямой проводимости - тиристор был переведен в режим проводимости и будет оставаться проводящим до тех пор, пока прямой ток не упадет ниже порогового значения, известного как «ток удержания».

Функция терминала ворот

Тиристор имеет три pn перехода (по порядку обозначенные J 1 , J 2 , J 3 от анода).

Слойная схема тиристора.

Когда анод находится под положительным потенциалом V AK по отношению к катоду без приложения напряжения на затворе, переходы J 1 и J 3 смещены в прямом направлении, а переход J 2 - в обратном. Поскольку J 2 смещен в обратном направлении, проводимость не происходит (состояние выключено). Теперь, если V AK превышает напряжение пробоя V BO тиристора, происходит лавинный пробой J 2, и тиристор начинает проводить (включенное состояние).

Если на вывод затвора по отношению к катоду приложен положительный потенциал V G , пробой перехода J 2 происходит при более низком значении V AK . Выбрав соответствующее значение V G , тиристор можно быстро переключить во включенное состояние.

После того, как произошел лавинный пробой, тиристор продолжает работать, независимо от напряжения затвора, до тех пор, пока: (a) потенциал V AK не будет снят или (b) ток через устройство (анод-катод) не станет меньше заданного удерживающего тока. от производителя. Следовательно, V G может быть импульсом напряжения, например выходным напряжением релаксационного генератора UJT .

Импульсы затвора характеризуются напряжением запуска затвора ( V GT ) и током запуска затвора ( I GT ). Ток запуска затвора изменяется обратно пропорционально ширине импульса затвора, поэтому очевидно, что для запуска тиристора требуется минимальный заряд затвора.

Характеристики переключения

V - I характеристики.

В обычном тиристоре, после того как он был включен клеммой затвора, устройство остается заблокированным во включенном состоянии ( т. Е. Ему не требуется непрерывная подача тока затвора, чтобы оставаться во включенном состоянии), при условии, что анодный ток превысил ток фиксации ( I L ). Пока анод остается смещенным положительно, его нельзя выключить, если ток не упадет ниже тока удержания ( I H ). В нормальных рабочих условиях ток фиксации всегда больше, чем ток удержания. На рисунке выше я л должен прийти выше I H на оси у , так как I L > I H .

Тиристор можно выключить, если внешняя цепь вызывает отрицательное смещение анода (метод, известный как естественная или линейная коммутация). В некоторых приложениях это делается путем переключения второго тиристора для разряда конденсатора на аноде первого тиристора. Этот метод называется принудительной коммутацией.

Как только ток через тиристор упадет ниже тока удержания, должна быть задержка, прежде чем анод сможет получить положительное смещение и удерживать тиристор в выключенном состоянии. Эта минимальная задержка называется временем коммутируемого выключения схемы ( t Q ). Попытка смещения анода в течение этого времени вызывает самозапуск тиристора за счет оставшихся носителей заряда ( дырок и электронов ), которые еще не рекомбинировали .

Для приложений с частотами выше, чем частота домашней сети переменного тока (например, 50 Гц или 60 Гц), требуются тиристоры с более низкими значениями t Q. Такие быстрые тиристоры могут быть изготовлены путем диффузии ионов тяжелых металлов , таких как золото или платина, которые действуют как центры комбинации зарядов, в кремний. Сегодня быстрые тиристоры чаще всего изготавливают путем облучения кремния электронами или протонами или путем ионной имплантации . Облучение более универсально, чем легирование тяжелыми металлами, поскольку оно позволяет тонко регулировать дозировку даже на довольно поздней стадии обработки кремния.

История

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) или тиристор, предложенный Уильямом Шокли в 1950 году и отстаиваемый Моллом и другими в Bell Labs, был разработан в 1956 году инженерами-энергетиками General Electric (GE) во главе с Гордоном Холлом и коммерциализирован Фрэнком У. Билл Гуцвиллер. Институт инженеров электротехники и электроники признали изобретение путем размещения налета на месте изобретения в Клайд, штат Нью - Йорк и объявления его IEEE Historic Milestone.

Блок из шести тиристоров на 2000 А (белые диски, расположенные в ряд вверху, если смотреть с ребра)

Этимология

Более раннее устройство с газонаполненной трубкой, называемое тиратроном, обеспечивало аналогичную возможность электронного переключения, когда небольшое управляющее напряжение могло переключать большой ток. Термин «тиристор» происходит от сочетания слов «тиратрон» и « транзистор ».

Приложения

Осциллограммы в выпрямленной схеме с несколькими тиристорами, регулирующими переменный ток.
Красный график: напряжение нагрузки (выход)
Синий график: напряжение срабатывания.

Тиристоры в основном используются там, где используются высокие токи и напряжения, и часто используются для управления переменными токами , когда изменение полярности тока вызывает автоматическое отключение устройства, что называется операцией « перехода через ноль ». Можно сказать, что устройство работает синхронно ; состоит в том, что как только устройство запускается, оно проводит ток в фазе с напряжением, приложенным к его катоду к анодному переходу, без дополнительной модуляции затвора, т. е. устройство полностью смещено . Это не следует путать с асимметричным режимом работы, поскольку выходной сигнал является однонаправленным, протекает только от катода к аноду, и поэтому имеет асимметричный характер.

Тиристоры могут использоваться в качестве элементов управления для контроллеров, запускаемых по углу фазы, также известных как контроллеры с фазовым возбуждением .

Их также можно найти в источниках питания для цифровых схем , где они используются как своего рода «расширенный автоматический выключатель », чтобы предотвратить повреждение компонентов, находящихся ниже по цепи, из-за сбоя в источнике питания. Тиристор используется вместе со стабилитроном, прикрепленным к его затвору, и если выходное напряжение источника питания поднимается выше напряжения стабилитрона, тиристор будет проводить и закоротить выход источника питания на землю (в общем, также отключая восходящий ток. прерыватель или предохранитель ). Этот вид схемы защиты известен как лом , и имеет преимущество перед стандартным автоматическим выключателем или предохранителем в том, что он создает путь с высокой проводимостью к земле для повреждающего напряжения питания и, возможно, для накопленной энергии в системе, на которую подается питание.

Первое крупномасштабное применение тиристоров с соответствующим запускающим диаком в потребительских товарах, связанных со стабилизированными источниками питания в цветных телевизионных приемниках, в начале 1970-х годов. Стабилизированное высоковольтное питание постоянного тока для приемника было получено перемещением точки переключения тиристорного устройства вверх и вниз по кривой спада положительной половины входа источника переменного тока (если бы использовался наклон нарастания, выходное напряжение всегда увеличивалось бы в сторону пиковое входное напряжение при срабатывании устройства и, следовательно, нарушение цели регулирования). Точная точка переключения определялась нагрузкой на выходной источник постоянного тока, а также колебаниями входного переменного тока.

Тиристоры десятилетиями использовались в качестве регуляторов света в телевидении , кино и театре , где они заменили низшие технологии, такие как автотрансформаторы и реостаты . Они также использовались в фотографии как важная часть вспышек (стробоскопов).

Демпферные схемы

Тиристоры могут срабатывать при сильном нарастании напряжения в закрытом состоянии. Это предотвращается путем подключения резистора - конденсатор (RC) , демпфер цепи между анодом и катодом , с тем чтобы ограничить DV / DT (то есть, скорость изменения напряжения с течением времени). Демпферы - это энергопоглощающие цепи, используемые для подавления скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи при размыкании переключателя, электрического или механического. Наиболее распространенная демпфирующая схема - это конденсатор и резистор, включенные последовательно через переключатель (транзистор).

Передача электроэнергии HVDC

Зал клапанов, содержащий блоки тиристорных клапанов, используемые для передачи электроэнергии на большие расстояния отплотинМанитобы.

Поскольку современные тиристоры могут переключать мощность в мегаваттах , тиристорные клапаны стали сердцем преобразования постоянного высокого напряжения (HVDC) в переменный ток или из него. В области этого и других приложений с очень высокой мощностью, как тиристоры с электрическим запуском (ETT), так и с легким запуском (LTT) по-прежнему являются основным выбором. Тиристоры объединены в схему диодного моста и для уменьшения гармоник включены последовательно, образуя 12-пульсный преобразователь . Каждый тиристор охлаждается деионизированной водой , и вся конструкция становится одним из множества идентичных модулей, образующих слой в многослойном блоке клапанов, который называется четырехклапанным клапаном . Три таких стойки обычно монтируются на полу или подвешиваются к потолку вентильного зала объекта передачи на большие расстояния.

Сравнение с другими устройствами

Функциональный недостаток тиристора заключается в том, что он, как и диод, проводит только в одном направлении. Подобное пятиуровневое устройство с самоблокировкой, называемое TRIAC , может работать в обоих направлениях. Однако эта дополнительная возможность также может стать недостатком. Поскольку TRIAC может проводить в обоих направлениях, реактивные нагрузки могут привести к тому, что он не отключится в моменты нулевого напряжения цикла мощности переменного тока. Из-за этого использование TRIAC с (например) сильно индуктивными нагрузками двигателя обычно требует использования « демпфирующей » цепи вокруг TRIAC, чтобы гарантировать, что он будет отключаться с каждым полупериодом сетевого питания. Обратно-параллельные тиристоры также могут использоваться вместо симистора; Поскольку к каждому SCR в паре приложен полный полупериод обратной полярности, SCR, в отличие от TRIAC, обязательно отключатся. Однако «цена», которую придется заплатить за такое устройство, - это добавленная сложность двух отдельных, но по существу идентичных схем стробирования.

Хотя тиристоры широко используются в мегаваттном выпрямлении переменного тока в постоянный, в приложениях малой и средней мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких десятков киловатт) они фактически были заменены другими устройствами с превосходными характеристиками переключения, такими как силовые полевые МОП-транзисторы. или БТИЗ . Одна из основных проблем, связанных с SCR, заключается в том, что они не являются полностью управляемыми переключателями. GTO тиристорные и IGCT два устройства , связанные с тиристором , что решить эту проблему. В высокочастотных приложениях тиристоры - плохие кандидаты из-за длительного времени переключения из-за биполярной проводимости. С другой стороны, полевые МОП-транзисторы имеют гораздо более быструю коммутационную способность из-за их униполярной проводимости (только большинство носителей переносят ток).

Режимы отказа

Производители тиристоров обычно указывают зону безопасного зажигания, определяющую допустимые уровни напряжения и тока для данной рабочей температуры . Граница этой области частично определяется требованием, чтобы не превышалась максимально допустимая мощность затвора (P G ), указанная для данной длительности импульса запуска.

Помимо обычных режимов отказа из-за превышения номинальных значений напряжения, тока или мощности, тиристоры имеют свои собственные особые режимы отказа, в том числе:

  • Включите di / dt - при котором скорость нарастания тока в открытом состоянии после запуска выше, чем может поддерживаться скоростью распространения активной зоны проводимости (тиристоры и симисторы).
  • Принудительная коммутация - при которой переходный пиковый ток обратного восстановления вызывает такое высокое падение напряжения в подкатодной области, что оно превышает обратное напряжение пробоя затворно-катодного диодного перехода (только для тиристоров).
  • Включить dv / dt - тиристор может ложно включиться без триггера от затвора, если скорость нарастания напряжения между анодом и катодом слишком велика.

Тиристоры из карбида кремния

В последние годы некоторые производители разработали тиристоры, в которых в качестве полупроводникового материала используется карбид кремния (SiC). Они применяются в высокотемпературных средах и могут работать при температурах до 350 ° C.

Типы

  • ACS
  • ACST
  • AGT - Anode Gate Thyristor - Тиристор с затвором на слое n-типа рядом с анодом.
  • ASCR - Асимметричный SCR
  • BCT - двунаправленный тиристор управления - двунаправленное переключающее устройство, содержащее две тиристорные структуры с отдельными контактами затвора.
  • BOD - Breakover Diode - тиристор без затвора, срабатывающий от лавинного тока.
  • BRT - Тиристор с регулируемым сопротивлением
  • ETO - Тиристор выключения эмиттера
  • GTO - Затвор отключающий тиристор
    • DB-GTO - Тиристор выключения распределенного буферного затвора
    • MA-GTO - Модифицированный тиристор отключения анодного затвора.
  • IGCT - Интегрированный тиристор с коммутацией затвора
  • Ignitor - Генераторы искры для зажигалок.
  • LASCR - световой тиристор, или LTT - световой тиристор
  • LASS - световой полупроводниковый переключатель
  • MCT - MOSFET Controlled Thyristor - содержит две дополнительные структуры полевых транзисторов для управления включением / выключением.
  • CSMT или MCS - MOS композитный статический индукционный тиристор
  • PUT или PUJT - Программируемый однопереходный транзистор - тиристор с затвором на слое n-типа рядом с анодом, используемый в качестве функциональной замены однопереходного транзистора.
  • RCT - Тиристор с обратной проводимостью
  • SCS - кремниевый управляемый переключатель или тиристорный тетрод - тиристор с катодными и анодными затворами.
  • SCR - выпрямитель с кремниевым управлением
  • SITh - Тиристор со статической индукцией или FCTh - Тиристор с полевым управлением - содержащий структуру затвора, которая может отключать течение анодного тока.
  • TRIAC - Триод для переменного тока - двунаправленное переключающее устройство, содержащее две тиристорные структуры с общим контактом затвора.
  • Quadrac - особый тип тиристора , который сочетает в себе DIAC и TRIAC в одном пакете.

Тиристор с обратной проводкой

Тиристор с обратной проводимостью (RCT) имеет встроенный обратный диод , поэтому он не способен к обратной блокировке. Эти устройства полезны там, где необходимо использовать обратный диод или диод свободного хода. Поскольку SCR и диод никогда не проводят одновременно, они не выделяют тепло одновременно и могут быть легко объединены и охлаждаются вместе. Тиристоры с обратной проводимостью часто используются в преобразователях частоты и инверторах .

Фотиристоры

Электронный символ свето-активируемого SCR (LASCR)

Фотиристоры активируются светом. Преимуществом фототиристоров является их нечувствительность к электрическим сигналам, что может вызвать сбои в работе в электрически зашумленной среде. Управляемый светом тиристор (LTT) имеет на затворе оптически чувствительную область, в которую с помощью оптического волокна вводится электромагнитное излучение (обычно инфракрасное ) . Поскольку для его срабатывания не требуется никаких электронных плат на потенциале тиристора, тиристоры со световым запуском могут быть преимуществом в высоковольтных приложениях, таких как HVDC . Доступны световые тиристоры со встроенной защитой от перенапряжения (VBO), которая запускает тиристор, когда прямое напряжение на нем становится слишком высоким; они также были сделаны со встроенной защитой от прямого восстановления , но не на коммерческой основе. Несмотря на упрощение, которое они могут внести в электронику клапана HVDC, тиристоры с управляемым светом могут по-прежнему требовать некоторой простой контрольной электроники и доступны только у нескольких производителей.

Два распространенных фототиристора включают активируемый светом SCR (LASCR) и активируемый светом TRIAC . LASCR действует как переключатель, который включается при воздействии света. После воздействия света, когда свет отсутствует, если питание не отключено и полярности катода и анода еще не поменялись местами, LASCR все еще находится во включенном состоянии. Активируемый светом TRIAC напоминает LASCR, за исключением того, что он предназначен для переменного тока.

Смотрите также

использованная литература

Источники

внешние ссылки