Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 7

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

p

E2

Катоді

І=ІЕ2

VT2

ІБ1К2

ІК1Б2

Анод

n

Р

n

а)

Катод

б)

І-ІЕ1

К2

Б2

E2

й

Rh

Ua

І-ІЕ2

Рис. 2.34 - Структура диністора (а) та його модель у вигляді двох транзисторів (б) Таку структуру можна представити у вигляді еквівалентної схеми (моделі), що складається з двох транзисторів VT1 і VT2 p-n-p та n-p-n типу відповідно (рис. 2.34,б). Цю модель можна отримати, якщо по-думки розітнути прилад уздовж площини А-А, а потім обидві частини електрично з'єднати. При цьому виходить, що переходи П1 і П3 є емітерними переходами транзисторів, а перехід П2 для обох транзис­торів є колекторним. Зона бази Б1 транзистора VT1 одночасно є ко­лекторною зоною транзистора VT2, а зона бази Б2 транзистора VT2 -колекторною зоною транзистора VT1.

А

А

Відповідно колекторний струм першого транзистора є базовим для другого 1К1=1Б2, а колекторний струм другого транзистора - базовим першого 1К2=1Б1. Таке вмикання забезпечує внутрішній позитивний зво­ротний зв'язок: якщо відкриється хоча б один транзистор, то надалі вони будуть підтримувати один одного у відкритому стані (у режимі насичення).

Струм диністора - це емітерний струм першого транзистора I або другого I . У той же час він складається з двох колекторних струмів IK1=ajIE1 та IK2=a2IE1, де a1 і a1 - коефіцієнти передачі емітерного струму транзисторів VT1, VT2. Крім того, до складу струму диністора I входить початковий некерований (тепловий) струм колекторного пере­ходу I .

Таким чином, можна записати:

І = а 2ІЕ1 + а 2 ІЕ1

+ If

,. (2.24)

IE1= IE2= I

а значить

1,0 -0,5

I = aiI + аг I + IK о = I (аі 2)+1К 0,

звідки

аі

I

1К 0

1 - (аі + а 2)

(2.25)

. (2.26)

I, A

10-4 10-2

Рис. 2.35 - Залежність a від струму диністора

1 та а2

Проаналізуємо вираз (1.16), вико­ристовуючи графіки залежності aj та a1 від струму диністора, наве­дені на рис. 1.35.

Для малих значень струму (aj+a1)<l. Із зростанням напруги на диністорі коефіцієнти aj та a1 зростають (за рахунок звуження баз транзисторів через розширення зворотно зміщеного переходу 772 ), а отже, зростає і струм через диніс-тор I.

При деякому значенні струму, що називається струмом вмикання диністора I отримаємо (aj+ a1) = l, і вихідний струм мав би зрости до нескінченності, якби не обмежуюча дія опору навантаження Rh. На­далі прилад утримується в увімкненому стані за рахунок внутрішнього позитивного зворотного зв'язку.

ВАХ диністора наведе­на на рис. 2.36, на якому позначено:

U  - напруга вмикан­им        г j

ня диністора;

І  - струм вмикання;

І - струм утримання;

І - гранично допусти­мий струм приладу;

U - падіння напруги на диністорі, що відповідає І.

Ділянка 0а ВАХ від­повідає закритому стану диністора. Ділянка аб -лавиноподібному пере-

1 ут \~ 1 вм

Анод-

VS

-Катод

Зона негативного опору

Unp

Рис. 2.36 - ВАХ диністора та його умовне позначення

миканню приладу (ділянка з негативним опором, бо тут R=-DU/Dl -величина від'ємна). Ділянка бв, подібна відрізку ВАХ діода, відповідає увімкненому стану диністора, вона є робочою ділянкою характеристики.

Для вимикання приладу (переведення його у непровідний стан) струм у його колі повинен стати меншим за струм утримання.

Основні параметри диністора:

- напруга вмикання диністора UeM , що становить (20 ,1000) В;

- максимальне середнє значення прямого струму за заданих умов охолодження І тах , що становить (0,1 ,2) А;

- струм утримання І - мінімальний прямий струм увімкненого ди­ністора, при подальшому зниженні якого диністор переходить у непро­відний стан, становить (0,01 ,0,1) А;

- максимальне допустиме амплітудне значення зворотної напруги

U   , сягає до 1000 В;

- час вмикання, тобто час переходу від закритого стану до відкри­того, знаходиться у межах (1,10) мкс.

2.6.2. Триністор (керований діод)

Диністори не знайшли широкого розповсюдження (використовувались для фіксування досягнення напругою певного значення). Зате тріоднийтиристор (триністор), який є керованим перемикаючим приладом і час­тіше називається просто тиристором, став основою енергетичної елек­троніки 80-х років минулого століття.

Триністор - це чотиришаровий перемикаючий прилад, у якого від однієї з базових зон зроблено вивід - керуючий електрод.

Структура та умовне позначення триністора (надалі - тиристор) наведені на рис. 2.37.

Аноді

Керуючий електрод \

+

7—>

>кер

икер Q

Rh

+ О Ua

VS

Катод

Анод

Катод

Керуючий електрод

lap

Рис. 2.37 - Стуктура та умовне позначення тиристора

Подаючи між керуючим електродом та катодом пря­му напругу на p-n перехід, що працює у прямому на­прямку (змінюючи струм ке­рування), можна регулювати значення напруги вмикання U . Цю властивість тирис­тора демонструє його ВАХ, наведена на рис. 2.38. Слід зазначити, що практично за­стосовують режим вмикан­ня, що відповідає струмові керування Іке 4 на рис. 2.38.

Ікер4>Ікер3>Ікер2>Ікер1 0

Unp

ивм3 UeM2 UeMl

Рис. 2.38 - ВАХ тиристора

+

о-

Схема вмикання тиристора зображена на рис. 2.39.

Якщо подати на керуюче коло імпульс прямої напруги, тиристор вмикається і за­лишається увімкненим після зняття сиг- -TL Uep налу керування.

Вимкнути тиристор можна лише зни-

JsZVS1

+

женням струму у його анодному колі ниж- Рис. 2.39 - Найпростіша схема че струму утримання І вмикання тиристора

У колах постійного струму вимикання тиристора здійснюється шля­хом вмикання паралельно тиристору попередньо зарядженого конденса­тора з напругою, полярність якої зворотна щодо тиристора (примусо­ва комутація).

У колах змінного струму вимикання тиристора здійснюється при­родно в момент проходження струму через нуль (невимушена кому­тація) - тому найширшого використання тиристори набули саме у ко­лах змінного струму як напівкеровані електронні перемикачі (напів-керовані - бо, діючи на коло керування, їх можна лише вмикати).

На рис. 2.40 наведено спрощену схему однофазного регулятора та часові діаграми його роботи. Змінюючи затримку подачі сигналу керування відносно переходу напруги мережі им через нуль - кут керу­вання a - від 0 до p, можна регулювати напругу на навантаженні ин від нуля до максимуму.

UKep1

VS2

UKep2

СК

икер1 ,

икер2 Uh І

2я cot

cot

wt

a)

Рис. 2.40 - Однофазний регулятор: а) електрична схема; б) часові діаграми роботи

Тиристори мають багато параметрів (біля ста). Наведемо основні з них.

1) Статичні параметри:

- струм вмикання І;

- струм утримання (мінімальний прямий струм увімкненого тирис­тора за розімкненого кола керування, при подальшому зниженні якого тиристор переходить у непровідний стан), становить (0,01 , 0,7) А;

- порогова напруга U0 , сягає до 1 В.

2) Граничні параметри:

- максимально допустиме значення середнього струму через тирис­тор за певних умов охолодження І   складає (0,1 ,3 200) А;

- максимально допустиме амплітудне значення зворотної напруги U3e= (100 . 10000) В;

- струм робочого перевантаження, сягає 3І;

- ударний струм у відкритому стані, що не повторюється, сягає 20І;

- допустима середня потужність втрат у відкритому стані.

3) Динамічні параметри:

- час вмикання t (час переходу тиристора з непровідного стану у провідний), що становить (1 , 10 ) мкс;

- час вимикання t   (мінімальний про-

вим 4 L

міжок часу між проходженням через нуль прямого струму та повторним прикладен­ням напруги до тиристора (див. рис. 2.41), що не викликає самовільного вмикання при­ладу - час відновлення запірних власти­востей), становить (10 , 500) мкс;

- допустима швидкість зростання від-Рис. 2.41 - Часова діаграма новлюваної напруги на тиристорі, що не при-

вимикання тиристора зводить до його самовільного вмикання за рахунок ємнісного струму зміщення структури (що являє собою пара­зитний конденсатор) та внутрішнього позитивного зворотного зв'яз­ку (du/dt) Kj>um = (20 - 500)В/мкс (для гарантованого забезпечення не-перевищення її допустимого значення паралельно з тиристором зазви­чай вмикають захисний RC-ланцюжок - снабер);

- допустима швидкість зростання прямого струму, що не призводить до виходу тиристора з ладу за рахунок локального перегріву структури

ЄЗ

(dijdt )крит = (10 - 70) А/мкс (для гарантованого забезпечення непере-вищення її допустимого значення послідовно з тиристором вмикають невелику індуктивність - захисний дросель). 4) Параметри кола керування:

- це значення постійного та імпульсного струмів кола керування при напрузі джерела у ньому 12 В, та відповідні їм падіння напруги у колі керування (для потужних тиристорів I=(0,3 , 0,7) А).

Слід зазначити, що тривалість імпульсу керування повинна бути більшою за час вмикання тиристора - зазвичай складає (15 , 20) мкс для активного навантаження.

2.6.3. Спеціальні типи тиристорів (симістор, фототиристор, двоопераційний тиристор, оптронний тиристор)

Катод ■

VS Ш

Симістор або

симетричний ти­ристор - прилад, який є керованим як при позитивній, так і при негативній напрузі на ньому. ВАХ симістора та його умовне позна­чення наведено на рис. 2.42.

Прилад стано­вить собою п'яти­шарову структуру. Його параметри подібні до пара­метрів триністора.

Фототиристор - прилад, що керується світловим потоком. Пара­метри його силового кола приблизно такі ж, як і у триністора. Умовне позначення фототиристора наведене на рис. 2.43,а.

Двоопераційний тиристор - прилад, що не тільки вмикається, але й вимикається керуючим сигналом: вмикається як звичайний

ґ

■Анод

Керуючий електрод

Рис. 2.42 - ВАХ симістора та його умовне позначення

Є4

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

тиристор, а вимикається подачею в коло керування імпульсу негатив­ної напруги, чим забезпечується переривання струму в структурі за рахунок відведення об'ємного заряду з бази. Умовне позначення дво-операційного тиристора наведене на рис. 2.43,б.

Скорочена його назва - GTO (Gate Turn-Off Thyristor). Такі тирис­тори масово випускаються на струми до 2,5 кА та напруги до 4,5 В з часом вимикання до 15 мкс. їхнє застосування дає змогу спростити схему перетворення струму, бо не потрібні пристрої примусової кому­тації для створення зворотної напруги при вимиканні тиристорів. Недо­ліком є невеликий коефіцієнт підсилення по вимиканню - до 5.

Компанія Mitsubishi Electric вже розробила та випускає GTO на струм 6 кА та напругу 6кВ з коефіцієнтом підсилення (5-6) і часом вимикан­ня до 5 мкс.

Наприкінці 90-х рр. XX ст. цією ж фірмою розроблені тиристорні структури, що запираються з комутацією струму в затвор керування, і мають назву GCT (Gate Communicated Turn-Off Thyristor). Однак, робота GCT можлива тільки за спеціальної конструкції корпуса елек­трода керування, яка забезпечує зниження індуктивності виводів до (2-4) мкГн. Це легко вирішується поєднанням GCT і пристрою фор­мування імпульсів керування (драйвера) в єдиній конструкції, що на­зивається інтегрованим GCT або IGCT (Integrated GCT). Такі тирис­тори, наприклад типу 5SHY 35L4510 (фірма ABB Switzerland Ltd Semiconductors, Швейцарія), працюють за напруг до 4500 В і струму вимикання до 4000 А (допустимий струм перевантаження - 32 кА). Час вмикання і вимикання у них становить10 мкс за мінімального періоду вмикання-вимикання 60 мкс. Тиристор комплектується драй­вером з оптронним керуванням.

Оптроний тиристор - це поєднання світлодіода та фототиристо­ра в одному корпусі. Якщо через світлодіод пропускати струм (під дією U), він генеруватиме світловий потік, який, падаючи на структуру тиристора в зоні керуючого p-n переходу, призведе до генерації в НП вільних носіїв заряду. Ці носії під дією прикладеної до тиристора напру­ги створюють струм керування і тиристор вмикається. Головна пере­вага оптронних тиристорів (як і фототиристорів) - це відсутність галь­ванічного зв'язку між колом керування та силовим колом. Умовне по­значення оптронного тиристора наведене на рис. 2.43,в.

VS

Анод

_0Катод

а) б) в)

Рис. 2.43 - Умовні позначення фототиристора (а), двоопераційного (б) та оптронного (в) тиристорів

Наявність у тиристорів внутрішнього позитивного зворотного зв'язку (зона негативного опору на ВАХ) надає їм декілька важливих властивостей.

Головне: для вмикання тиристора достатньо в його коло керування подати короткий імпульс струму невеликої потужності. Далі відкритий стан підтримується за рахунок внутрішнього позитивного зворотного зв'язку. Тому тиристори мають дуже великий коефіцієнт підсилення за потужністю (десятки тисяч).

Порівняно з транзисторами, тиристори більш стійкі до перевантажень, але мають досить вузький діапазон робочих частот (до сотень герц).

2.6.4. Електростатичні тиристори

Окрім розглянутих вище, в останній час в енергетичній електроніці використовують і деякі новітні види тиристорів, що з'явилися завдяки досягненням напівпровідникової технології. Це, наприклад, електро­статичні тиристори (або SITh -тиристори - Static Induction Thyristor). Технологія їх виготовлення настільки складна, що опанова­на у світі лише декількома фірмами. Відповідно їхня вартість досить

висока.

Еквівалентна схема і позначення такого ти­ристора наведені на рис. 2.44. У нормаль­ному стані він прово­дить струм. Вимикан­ня здійснюється пода­чею на керуючий елек­трод позитивної від­носно катода напруги.

Анод

Затвор о—»

Анод

VS

Затвор

Катод

Катод

\  катод г\

а) б)

Рис. 2.44 - Еквівалентна схема (а) і позначення (б) електростатичного тиристора

ЄЄ

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

2.6.5. Запірний тиристор з МОН-керуванням

Найбільш перспективним із тиристорів для пристроїв енергетичної еблектроніки є тиристор, керований напругою - запірний тиристор з МОН-керуванням (MCT - MOS - Controlled Thyristor). Його екві­валентна схема і позначення наведені на рис. 2.45. Він містить МОН-структури з n- (VT4) та //-каналами (VT1) і тиристорну чотиришарову структуру p-n-p-n (VT2, VT3).

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка