Вентили с неполным управлением

Создание управляемых полупроводниковых приборов для силовой энергетической электроники началось в 1953 г., когда стало возможным получение кремния высокой чистоты и формирование кремниевых дисков больших размеров. В 1955 г. в США был создан полупроводниковый управляемый прибор «однооперационный тиристор», имеющий четырёхслойную структуру, а вскоре и пятислойный прибор «однооперационный симистор».

Однооперационные тиристоры – это управляемые диоды, для отпирания которых необходимо не только подать прямое напряжение, между анодом и катодом (“+” на аноде) но и создать дополнительное управляющее воздействие через специальный третий электрод. После снятия управляющего воздействия тиристор остаётся в открытом состоянии. Запирание тиристора происходит либо при смене полярности напряжения между анодом и катодом, либо в результате прерывания тока через тиристор. Таким образом, операция отпирания является управляемой, а операция запирания – неуправляемой. Эта особенность отражена в названии «однооперационный».

Однооперационные тиристоры представляют собой полупроводниковые приборы на базе четырехслойной кремниевой p-n-p-n- структуры (рис.1.3, а).

При подаче прямого напряжения на тиристор практически  все это напряжение прикладываются к запертому центральному переходу П2. Эмиттерные переходы П1 и П3при этомсмещены в прямом направлении, их сопротивление гораздо меньше, чем сопротивление перехода П2. Если на тиристор действует обратное („-“ на аноде) напряжение, то переходы П1 и ПЗ заперты, однако напряжение пробоя управляющего перехода ПЗобычно невелико (единицы вольт), и практически все обратное напряжение прикладывается к переходу П1.

                                     

           

                         

 

                                                                а)

 

 

                                              

Рис. 1.3. Структура тиристора (а), графическое обозначение (б)

 

В технических условиях на тиристоры указывается минимальное прямое напряжение U отп, при котором тиристор может включиться без подачи управляющего сигнала в результате пробоя перехода П2.

Обычно включение тиристора осуществляется при прямом напряжение между анодом и катодом подачей импульса тока через управляющий электрод УЭ. Для выключения тиристора необходимо на время, большее времени восстановления управляющих свойств, изменить полярность напряжения между анодом и катодом (подать „ - “ на анод). Выключить тиристор можно также снижением, протекающего через него тока до значений, меньших, так называемого,  удерживающего тока I _уд.

Отпирание тиристора производится подачей положительного импульса тока I _ув цепь управления.

 Для четкого фиксирования момента включения ток управления должен иметь достаточно крутой передний фронт, а его максимальное значение должно в 2…5 раз превышать минимальный ток управления, необходимый для включения структуры.. Процесс включения (рис.1.4,а) состоит из трех этапов: интервала задержки ∆ t ₃, интервала нарастания тока ∆ t _ни интервала распространения зоны проводимости структуры ∆ t р. Время задержки связано с накоплением некоторого критического заряда в базах структуры, необходимого для начала лавинообразного процесса включения. На протяжении интервала t знапряжение на тиристоре изменяется от максимального анодного напряжения Umax до 0,9 Umax, а ток в случае активной нагрузки возрастает до 0,1 своего максимального значения. Время задержки увеличивается с ростом температуры. При I _у » I _уд, и малых длительностях переднего фронта тока I _yвремя задержки пренебрежимо мало и практически не влияет на потери мощности при включении структуры. На интервале нарастания тока t _ннапряжение на тиристоре изменяется от величины 0,9 Umax до 0,1 Umax.

К концу интервала проводимости все три перехода тиристора смещены в прямом направлении и обе базы тиристора, а также эмиттерные области содержат избыток носителей заряда. Для того, чтобы тиристор перевести в запертое состояние, концентрация избыточных носителей зарядов в базовых областях должна быть уменьшена до весьма малого значения за счет действия электрического поля и процесса рекомбинации. Это может быть достигнуто, если на определенное время уменьшить ток в тиристоре до значений, меньших удерживающего тока I _уд, или изменить на обратную полярность напряжения, действующего на тиристоре.При приложении к тиристору обратного напряжения ток в нем уменьшается, а затем изменяет свое направление (рис. 1.4, б). Запирание тиристора начинается в момент времени t ₁, когда ток в нём достигает нулевого значения.

 

 

Рис. 1.4. Процессы отпирания (а) запирания (б) тиристора

Время выключения тиристора t _выклпредставляет собой интервал от момента t ₁ до момента t ₃ восстановления запирающей способности структуры в прямом направлении. Это  минимальное время, которое необходимо выждать с момента достижения током анода нулевого значения до момента приложения прямого напряжения, уже не вызывающего отпирание тиристора. Если к тиристору приложить прямое напряжение раньше, то он вновь перейдет во включенное состояние при отсутствии сигнала на управляющем электроде. Это происходит потому, что на интервале обратного восстановления концентрации неосновных носителей в базовых областях, прилегающих к переходу П2, все еще высоки. Для восстановления запирающих свойств перехода П2 необходимо некоторое время, достаточное для уменьшения избыточных зарядов в граничных с ним базовых областях. Процесс исчезновения избыточных зарядов на этом этапе в основном обусловлен процессом рекомбинации в широкой -базе. Процесс восстановления тиристора закончится, когда заряд избыточных носителей в -базе уменьшится до критической величины. Инерционность процессов отпирания и запирания тиристора часто интерпретируется как инерционность перезаряда барьерной емкости. Время выключения тиристора t _выкл.представляет собой интервалот момента t ₁  до момента t ₃восстановления запирающей способности структуры в прямом направлении. Это то минимальное время, которое необходимо выждать с момента достижения током анода нулевого значения до момента приложения прямого напряжения, уже не вызывающего отпирание тиристора. Если к тиристору приложить прямое напряжение раньше, то он вновь перейдет во включенное состояние при отсутствии сигнала на управляющем электроде. Это происходит потому, что на интервале обратного восстановления концентрации неосновных носителей в базовых областях, прилегающих к переходу П2, все еще высоки. Для восстановления запирающих свойств перехода П2 необходимо некоторое время, достаточное для уменьшения избыточных зарядов в граничных с ним базовых областях. Процесс исчезновения избыточных зарядов на этом этапе в основном обусловлен процессом рекомбинации в широкой n ₁- базе. Процесс восстановления тиристора закончится, когда заряд избыточных носителей в n₁ -базе уменьшится до критической величины. Инерционность процессов отпирания и запирания тиристора часто интерпретируется как инерционность перезаряда барьерной емкости.

В настоящее время выпускаются однооперационые тиристоры на токи от единиц до тысяч ампер и максимальные прямые напряжения до 1кВ. Это позволяет создавать энергетические преобразователи, рассчитанные на выходные мощности порядка тысяч  кВт.

Симисторы (симметричные тиристоры, триаки) – пятислойные p-n-p-n-p - полупроводниковые приборы, которые можно представить виде комбинации двух встречно-параллельных тиристоров.