Тиристоры: Устройство, Принцип Работы и Применение

Введение

Тип твердотельного переключателя

Тиристор (/θ//aɪ/'/r//ɪ//s//t//ər/) – это полупроводниковое прибор твердого состояния, который можно рассматривать как очень надежный и переключаемый диод, обеспечивающий прохождение тока в одном направлении, но не в другом, часто под управлением шлюзового электрода. Он используется в мощных приложениях, таких как инверторы и генераторы радаров. Обычно он состоит из четырех слоев чередующихся материалов типов P и N. Он функционирует как бистабильный переключатель (или триггер). Существует два типа конструкций, различающихся тем, что вызывает переход в проводящее состояние. В тиристоре с тремя выводами небольшой ток на шлюзовом выводе управляет большим током между анодом и катодом. В тиристоре с двумя выводами проводимость начинается, когда разность потенциалов между анодом и катодом становится достаточно большой (пробивное напряжение). Тиристор продолжает проводить ток до тех пор, пока напряжение на приборе не станет обратным, напряжение не будет снято (иными способами) или не будет подан управляющий сигнал на шлюз в новых типах. Некоторые источники определяют "силиконовый выпрямитель" (SCR) и "тиристор" как синонимы. Другие источники определяют тиристоры как более сложные приборы, включающие по крайней мере четыре слоя чередующихся подложек типов N и P. Первые тиристоры были коммерчески доступны с 1956 года. Благодаря возможности управления относительно большой мощностью и напряжением с помощью небольшого прибора, тиристоры широко применяются в управлении электроэнергией, начиная от диммеров и регулирования скорости электродвигателей до передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения. Тиристоры могут использоваться в схемах переключения мощности, схемах замены реле, инверторных схемах, генераторных схемах, схемах детектора уровня, схемах импульсного управления, схемах диммирования света, недорогих таймерных схемах, логических схемах, схемах управления скоростью, фазовых схемах управления и т.д. Изначально тиристоры полагались исключительно на изменение направления тока для выключения, что затрудняло их применение в цепях постоянного тока; более новые типы приборов могут включаться и выключаться управляющим сигналом на шлюзе. Последний известен как тиристор с принудительным выключением (GTO-тиристор). В отличие от транзисторов, тиристоры имеют двухзначную характеристику переключения, то есть тиристор может находиться только в полностью включенном или полностью выключенном состоянии, в то время как транзистор может находиться в промежуточном состоянии. Это делает тиристор непригодным в качестве аналогового усилителя, но полезным в качестве переключателя.

A thyristor (/θ//aɪ/'/r//ɪ//s//t//ər/) is a solid state semiconductor device which can be thought of as being a highly robust and switchable diode, allowing the passage of current in one direction but not the other, often under control of a gate electrode, that is used in high power applications like inverters and radar generators. It usually consists of four layers of alternating P and N type materials. It acts as a bistable switch (or a latch). There are two designs, differing in what triggers the conducting state. In a three lead thyristor, a small current on its gate lead controls the larger current of the anode to cathode path. In a two lead thyristor, conduction begins when the potential difference between the anode and cathode themselves is sufficiently large (breakdown voltage). The thyristor continues conducting until the voltage across the device is reverse biased or the voltage is removed (by some other means), or through the control gate signal on newer types. Some sources define "silicon controlled rectifier" (SCR) and "thyristor" as synonymous. Other sources define thyristors as more complex devices that incorporate at least four layers of alternating N type and P type substrate. The first thyristor devices were released commercially in 1956. Because thyristors can control a relatively large amount of power and voltage with a small device, they find wide application in control of electric power, ranging from light dimmers and electric motor speed control to high voltage direct current power transmission. Thyristors may be used in power switching circuits, relay replacement circuits, inverter circuits, oscillator circuits, level detector circuits, chopper circuits, light dimming circuits, low cost timer circuits, logic circuits, speed control circuits, phase control circuits, etc. Originally, thyristors relied only on current reversal to turn them off, making them difficult to apply for direct current; newer device types can be turned on and off through the control gate signal. The latter is known as a gate turn off thyristor, or GTO thyristor. Unlike transistors, thyristors have a two valued switching characteristic, meaning that a thyristor can only be fully on or off, while a transistor can lie in between on and off states. This makes a thyristor unsuitable as an analog amplifier, but useful as a switch.

История

Силиконовый управляемый выпрямитель (SCR) или тиристор, предложенный Уильямом Шокли в 1950 году и получивший поддержку от Молла и других сотрудников Bell Labs, был разработан в 1956 году инженерами-энергетиками General Electric (GE) под руководством Гордона Холла и коммерциализирован Фрэнком В. "Биллом" Гутцвиллером из GE. Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) признал это изобретение, установив мемориальную доску на месте его создания в Клайде, штат Нью-Йорк, и объявив его исторической вехой IEEE. Ранее существовавшее устройство на основе газонаполненной трубки, называемое тиратроном, обеспечивало схожие возможности электронного переключения, позволяя небольшому управляющему напряжению коммутировать большой ток. Термин "тиристор" образован от комбинации слов "тиратрон" и "транзистор". В последние годы некоторые производители стали разрабатывать тиристоры с использованием карбида кремния (SiC) в качестве полупроводникового материала. Они находят применение в условиях высоких температур, способные работать при температурах до 350 °C.

Терминал входа

Тиристор имеет три p-n перехода (последовательно обозначенные J1, J2, J3 от анода). Когда анод находится под положительным потенциалом VAK относительно катода, при отсутствии напряжения на управляющем электроде, переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, а переход J2 – в обратном. Поскольку J2 смещен в обратном направлении, проводимость отсутствует (выключенное состояние). Если VAK увеличивается выше напряжения пробоя VBO тиристора, происходит лавинный пробой J2 и тиристор начинает проводить (включенное состояние). При подаче положительного потенциала VG на управляющий электрод относительно катода, пробой перехода J2 происходит при меньшем значении VAK. Выбрав подходящее значение VG, тиристор можно быстро перевести во включенное состояние. После лавинного пробоя тиристор продолжает проводить, независимо от напряжения на управляющем электроде, до тех пор, пока: (a) потенциал VAK не будет снят или (b) ток, протекающий через устройство (анод-катод), не станет меньше тока удержания, указанного производителем. Следовательно, VG может быть импульсом напряжения, например, выходным напряжением релаксационного генератора на динисторе. Импульсы управления характеризуются напряжением запуска управляющим электродом (VGT) и током запуска управляющим электродом (IGT). Ток запуска управляющим электродом обратно пропорционален длительности импульса управления, что указывает на необходимость минимального заряда управляющего электрода для запуска тиристора.

Характеристики переключения

В обычном тиристоре, после включения с помощью управляющего электрода, устройство остается в проводящем состоянии (т.е. не требует постоянной подачи тока управления для поддержания этого состояния), при условии, что ток анода превысил ток удержания в закрытом состоянии (IL). Пока анод остается положительно смещенным, его нельзя выключить, если ток не опустится ниже тока удержания в открытом состоянии (IH). В нормальных рабочих условиях ток удержания в закрытом состоянии всегда больше, чем ток удержания в открытом состоянии. На приведенном выше рисунке IL должен быть выше IH по оси y, поскольку IL>IH. Тиристор может быть выключен, если внешняя схема приведет к тому, что анод станет отрицательно смещенным (метод, известный как естественная или сетевая коммутация). В некоторых приложениях это достигается переключением второго тиристора для разряда конденсатора на анод первого тиристора. Этот метод называется принудительной коммутацией. После того, как ток через тиристор опустится ниже тока удержания в открытом состоянии, должна быть выдержка, прежде чем анод можно будет снова сделать положительно смещенным и сохранить тиристор в выключенном состоянии. Эта минимальная выдержка называется временем коммутации отключения в цепи (tQ). Попытка сделать анод положительно смещенным в течение этого времени приведет к самопроизвольному включению тиристора оставшимися носителями заряда (дырками и электронами), которые еще не рекомбинировали. Для приложений с частотами выше частоты бытовой сети переменного тока (например, 50 или 60 Гц) требуются тиристоры с меньшими значениями tQ. Такие быстродействующие тиристоры можно изготовить путем диффузии ионов тяжелых металлов, таких как золото или платина, которые действуют как центры рекомбинации зарядов в кремнии. Сегодня быстродействующие тиристоры чаще изготавливаются путем облучения кремния электронами или протонами или путем ионной имплантации. Облучение более универсально, чем легирование тяжелыми металлами, поскольку позволяет точно регулировать дозу, даже на достаточно поздней стадии обработки кремния.

Тиристор с обратной проводностью

Обратнопроводящий тиристор (RCT) имеет встроенный обратный диод и поэтому не способен к обратной блокировке. Эти устройства выгодны в тех случаях, когда требуется использование обратного или хода диода. Поскольку SCR и диод никогда не проводят одновременно, они не выделяют тепло одновременно и могут быть легко интегрированы и охлаждены вместе. Обратнопроводящие тиристоры часто используются в частотных преобразователях и инверторах.

Фототиристоры

Фототиристоры активируются светом. Преимуществом фототиристоров является их нечувствительность к электрическим сигналам, что может вызвать сбои в работе в условиях электрических помех. Тиристор с оптическим управлением (LTT) имеет оптически чувствительную область в его затворе, в которую электромагнитное излучение (обычно инфракрасное) подается по оптическому волокну. Поскольку для его включения не требуется размещать электронные схемы на потенциале тиристора, тиристоры с оптическим управлением могут быть полезны в высоковольтных приложениях, таких как HVDC. Тиристоры с оптическим управлением доступны со встроенной защитой от перенапряжения (VBO), которая включает тиристор при превышении прямого напряжения; также были разработаны модели со встроенной защитой от восстановления, но они не поступили в коммерческое производство. Несмотря на упрощение, которое они могут внести в электронную схему высоковольтного вентиля HVDC, тиристоры с оптическим управлением все же могут потребовать некоторую простую контрольно-измерительную аппаратуру и доступны лишь у нескольких производителей. Два распространенных типа фототиристоров – световой SCR (LASCR) и световой TRIAC. LASCR функционирует как переключатель, который включается под воздействием света. После воздействия света, при его отсутствии, если питание не отключено и полярность катода и анода не изменилась, LASCR остается во включенном состоянии. Световой TRIAC аналогичен LASCR, за исключением того, что он предназначен для работы с переменным током.

Приложения

Тиристоры в основном используются в схемах с высокими токами и напряжениями и часто применяются для управления переменным током, где изменение полярности тока вызывает автоматическое отключение устройства, известное как работа в режиме "нулевого перехода". Устройство можно считать работающим синхронно: после запуска оно проводит ток в фазе с напряжением, приложенным между катодом и анодом, без необходимости дальнейшей модуляции затвора, то есть устройство полностью открыто. Это не следует путать с асимметричным режимом работы, поскольку выход однонаправленный, протекающий только от катода к аноду, и, следовательно, по своей природе асимметричен. Тиристоры могут использоваться в качестве управляющих элементов для фазовых регуляторов, также известных как регуляторы с фазовым управлением. Их также можно найти в источниках питания для цифровых схем, где они выполняют роль своеобразного "усовершенствованного автоматического выключателя", предотвращающего повреждение последующих компонентов в случае неисправности источника питания. Тиристор используется в сочетании с диодом Зенера, подключенным к его затвору, и если выходное напряжение источника питания превышает напряжение Зенера, тиристор откроется и закоротит выход источника питания на землю (обычно также вызывая срабатывание вышестоящего автоматического выключателя или предохранителя). Такая схема защиты известна как "crowbar" (шунтирующая схема) и имеет преимущество перед стандартным автоматическим выключателем или предохранителем тем, что создает высокопроводящий путь к земле для отвода повреждающего напряжения питания и, возможно, накопленной энергии (в питаемой системе). Первым крупномасштабным применением тиристоров, вместе с управляющим диодом (diac), в потребительских товарах стало использование стабилизированных источников питания в цветных телевизорах в начале 1970-х годов. Стабилизированное высоковольтное постоянное напряжение для приемника достигалось путем перемещения точки переключения тиристора вверх и вниз по падающему фронту положительной полуволны входного переменного напряжения (если бы использовался восходящий фронт, выходное напряжение всегда бы росло к пиковому входному напряжению при открытии устройства, что свело бы на нет цель регулирования). Точная точка переключения определялась нагрузкой на выходной источник постоянного тока, а также колебаниями входного переменного напряжения. Тиристоры на протяжении десятилетий использовались в качестве диммеров для освещения на телевидении, в кино и в театре, заменив менее эффективные технологии, такие как автотрансформаторы и реостаты. Они также используются в фотографии в качестве важной части импульсных ламп (стробоскопов).

Thyristors are mainly used where high currents and voltages are involved, and are often used to control alternating currents, where the change of polarity of the current causes the device to switch off automatically, referred to as "zero cross" operation. The device can be said to operate synchronously; being that, once the device is triggered, it conducts current in phase with the voltage applied over its cathode to anode junction with no further gate modulation being required, i. e., the device is biased fully on. This is not to be confused with asymmetrical operation, as the output is unidirectional, flowing only from cathode to anode, and so is asymmetrical in nature. Thyristors can be used as the control elements for phase angle triggered controllers, also known as phase fired controllers. They can also be found in power supplies for digital circuits, where they are used as a sort of "enhanced circuit breaker" to prevent a failure in the power supply from damaging downstream components. A thyristor is used in conjunction with a Zener diode attached to its gate, and if the output voltage of the supply rises above the Zener voltage, the thyristor will conduct and short circuit the power supply output to ground (in general also tripping an upstream breaker or fuse). This kind of protection circuit is known as a crowbar, and has the advantage over a standard circuit breaker or fuse in that it creates a high conductance path to ground from damaging supply voltage and potentially for stored energy (in the system being powered). The first large scale application of thyristors, with associated triggering diac, in consumer products related to stabilized power supplies within color television receivers in the early 1970s. The stabilized high voltage DC supply for the receiver was obtained by moving the switching point of the thyristor device up and down the falling slope of the positive going half of the AC supply input (if the rising slope was used the output voltage would always rise towards the peak input voltage when the device was triggered and thus defeat the aim of regulation). The precise switching point was determined by the load on the DC output supply, as well as AC input fluctuations. Thyristors have been used for decades as light dimmers in television, motion pictures, and theater, where they replaced inferior technologies such as autotransformers and rheostats. They have also been used in photography as a critical part of flashes (strobes).

Снаббер-схемы

Тиристоры могут быть включены из-за высокой скорости нарастания напряжения в выключенном состоянии. При увеличении напряжения в выключенном состоянии между анодом и катодом тиристора возникает поток зарядов, аналогичный току заряда конденсатора. Максимальная скорость нарастания напряжения в выключенном состоянии, или номинал dV/dt тиристора, является важным параметром, поскольку он указывает максимальную скорость нарастания анодного напряжения, которая не приводит к его включению при отсутствии сигнала на управляющем электроде. Когда поток зарядов, вызванный скоростью нарастания напряжения в выключенном состоянии между анодом и катодом тиристора, становится равным потоку зарядов, вводимому при подаче сигнала на управляющий электрод, это приводит к случайному и ложному включению тиристора, что нежелательно. Это предотвращается путем подключения RC-цепи демпфирования между анодом и катодом для ограничения dV/dt (то есть скорости изменения напряжения во времени). Демпферы – это схемы поглощения энергии, используемые для подавления скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи при размыкании электрического или механического выключателя. Наиболее распространенной схемой демпфирования является конденсатор и резистор, соединенные последовательно через выключатель (транзистор).

Передача электроэнергии в режиме высокой точности постоянного тока

Поскольку современные тиристоры способны коммутировать мощность в масштабе мегаватт, тиристорные клапаны стали основой преобразования высоковольтного постоянного тока (HVDC) как в переменный, так и из переменного тока. В области этих и других областей применения, требующих очень высокой мощности, как электрически управляемые (ETT), так и светоуправляемые (LTT) тиристоры остаются основным выбором. Тиристоры компонуются в диодную мостовую схему, а для снижения гармоник соединяются последовательно, образуя 12-импульсный преобразователь. Каждый тиристор охлаждается деионизированной водой, и вся конструкция представляет собой один из нескольких идентичных модулей, формирующих слой в многослойном клапанном стеке, называемом четырехклапанным блоком. Обычно три таких стека устанавливаются на полу или подвешиваются к потолку клапанного зала высоковольтной передающей подстанции.

Сравнение с другими устройствами

Функциональный недостаток тиристора заключается в том, что, как и диод, он проводит только в одном направлении, поэтому его нельзя безопасно использовать с переменным током. Аналогичное самоблокирующееся 5-слойное устройство, называемое TRIAC, способно 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 перехода напряжения через ноль в цикле переменного тока. Из-за этого использование TRIAC с (например) сильно индуктивными нагрузками, такими как двигатели, обычно требует применения "демпфирующей" (snubber) цепи вокруг TRIAC для обеспечения его отключения в каждом полуцикле сетевого напряжения. Вместо TRIAC можно использовать два включенных встречно-параллельно тиристора; поскольку на каждый тиристор в паре приходится целый полуцикл обратной полярности, тиристоры, в отличие от TRIAC, гарантированно отключатся. Однако "ценой" этой схемы является усложнение за счет наличия двух отдельных, но по сути идентичных цепей управления. Хотя тиристоры широко используются в ректификации переменного тока в постоянный ток в мегаваттном диапазоне мощности, в низко- и среднемощных приложениях (от нескольких десятков ватт до нескольких десятков киловатт) они практически вытеснены другими устройствами с лучшими коммутационными характеристиками, такими как мощные MOSFET или IGBT. Одна из основных проблем, связанных с тиристорами, заключается в том, что они не являются полностью управляемыми переключателями. Тиристоры GTO и IGCT – это два устройства, основанные на тиристоре, которые решают эту проблему. В высокочастотных приложениях тиристоры не подходят из-за длительного времени переключения, обусловленного биполярной проводимостью. MOSFET, напротив, обладают гораздо более высокой скоростью переключения благодаря однополярной проводимости (только основные носители заряда участвуют в переносе тока).