Тиристор ( / θ aɪ ˈ r ɪ s t ər / , от сочетания греческого слова θύρα , что означает «дверь» или «клапан», и транзистор [1] ) — это твердотельный полупроводниковый прибор , который можно рассматривать как высокопрочный и переключаемый диод , позволяющий пропускать ток в одном направлении, но не в другом, часто под управлением электрода затвора, который используется в мощных устройствах, таких как инверторы и генераторы радаров. Обычно он состоит из четырех слоев чередующихся материалов P- и N-типа . [2] : 12 Он действует как бистабильный переключатель (или защелка). [2] : 12 Существуют две конструкции, отличающиеся тем, что запускает проводящее состояние. В трехвыводном тиристоре небольшой ток на его затворе управляет большим током пути анод-катод. В двухпроводном тиристоре проводимость начинается, когда разность потенциалов между анодом и катодом достаточно велика (напряжение пробоя). Тиристор продолжает проводить до тех пор, пока напряжение на устройстве не будет смещено в обратном направлении или напряжение не будет снято (каким-либо другим способом), [2] : 12 или через управляющий затворный сигнал в более новых типах.
Некоторые источники определяют « кремниевый управляемый выпрямитель » (SCR) и «тиристор» как синонимы. [3] Другие источники определяют тиристоры как более сложные устройства, которые включают в себя не менее четырех слоев чередующейся подложки N-типа и P-типа.
Первые тиристорные устройства были выпущены в продажу в 1956 году. Поскольку тиристоры могут управлять относительно большим количеством мощности и напряжения с помощью небольшого устройства, они нашли широкое применение в управлении электроэнергией, начиная от регуляторов света и управления скоростью электродвигателя до передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения . Тиристоры могут использоваться в схемах переключения мощности, схемах замены реле, схемах инверторов, схемах генераторов, схемах детекторов уровня, схемах прерывателей, схемах регулировки света, недорогих схемах таймеров, логических схемах, схемах управления скоростью, схемах управления фазой и т. д. Первоначально тиристоры полагались только на реверс тока для их выключения, что затрудняло их применение для постоянного тока; новые типы устройств могут включаться и выключаться с помощью сигнала управляющего затвора. Последний известен как тиристор с затвором выключения или тиристор GTO.
В отличие от транзисторов , тиристоры имеют двухзначную 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 непригодным в качестве аналогового усилителя, но полезным в качестве переключателя.
Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) или тиристор, предложенный Уильямом Шокли в 1950 году и поддержанный Моллом и другими в Bell Labs, был разработан в 1956 году инженерами-энергетиками General Electric (GE) под руководством Гордона Холла и коммерциализирован Фрэнком У. «Биллом» Гуцвиллером из GE. Институт инженеров по электротехнике и электронике признал изобретение, установив мемориальную доску на месте изобретения в Клайде, штат Нью-Йорк , и объявив его исторической вехой IEEE.
Более раннее устройство с газонаполненной трубкой , называемое тиратроном, обеспечивало схожую возможность электронного переключения, где небольшое управляющее напряжение могло переключать большой ток. Именно от сочетания слов «тиратрон» и « транзистор » произошел термин «тиристор». [2] : 12
В последние годы некоторые производители [4] разработали тиристоры, используя карбид кремния (SiC) в качестве полупроводникового материала. Они применяются в высокотемпературных средах, поскольку способны работать при температурах до 350 °C.
Тиристор — это четырехслойный трехконтактный полупроводниковый прибор, каждый слой которого состоит из чередующегося материала N-типа или P-типа , например PNPN. Главные клеммы, обозначенные как анод и катод, находятся на всех четырех слоях. Управляющая клемма, называемая затвором, прикреплена к материалу p-типа около катода. (Вариант, называемый SCS — кремниевый управляемый переключатель — выводит все четыре слоя на клеммы.) Работу тиристора можно понять с точки зрения пары тесно связанных биполярных транзисторов с переходом , расположенных так, чтобы вызывать самоблокирующееся действие.
Тиристоры имеют три состояния:
Тиристор имеет три p-n перехода (последовательно обозначенные J 1 , J 2 , J 3 от анода).
Когда анод находится под положительным потенциалом V AK относительно катода без напряжения, приложенного к затвору, переходы J 1 и J 3 смещены в прямом направлении, в то время как переход J 2 смещен в обратном направлении. Поскольку J 2 смещен в обратном направлении, проводимость отсутствует (состояние «Выкл.»). Теперь, если V AK увеличивается сверх напряжения пробоя V BO тиристора, происходит лавинный пробой J 2 , и тиристор начинает проводить (состояние «Вкл.»).
Если на вывод затвора подать положительный потенциал V G относительно катода, то пробой перехода J 2 произойдет при меньшем значении V AK . Выбрав соответствующее значение V G , можно быстро переключить тиристор в открытое состояние.
После лавинного пробоя тиристор продолжает проводить ток независимо от напряжения на затворе до тех пор, пока: (a) потенциал V AK не будет снят или (b) ток через устройство (анод-катод) не станет меньше тока удержания, указанного производителем. 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 таким образом, что очевидно, что для запуска тиристора требуется минимальный заряд затвора .
В обычном тиристоре после включения затвором устройство остается запертым во включенном состоянии (т.е. не нуждается в непрерывной подаче тока затвора, чтобы оставаться во включенном состоянии), при условии, что анодный ток превысил ток запирания ( I L ). Пока анод остается положительно смещенным, он не может быть выключен, если ток не упадет ниже тока удержания ( I H ). В нормальных рабочих условиях ток удержания всегда больше тока удержания. На приведенном выше рисунке I L должен быть выше I H по оси y, поскольку I L > I H .
Тиристор может быть выключен, если внешняя цепь заставляет анод стать отрицательно смещенным (метод, известный как естественная, или линейная, коммутация). В некоторых приложениях это делается путем переключения второго тиристора для разряда конденсатора на анод первого тиристора. Этот метод называется принудительной коммутацией.
Как только ток через тиристор падает ниже тока удержания, должна быть задержка, прежде чем анод сможет быть смещен положительно и удерживать тиристор в выключенном состоянии. Эта минимальная задержка называется временем выключения коммутируемой цепи ( t Q ). Попытка сместить анод положительно в течение этого времени приводит к самовозбуждению тиристора оставшимися носителями заряда ( дырками и электронами ), которые еще не рекомбинировали .
Для приложений с частотами выше, чем у бытовой 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 объединения зарядов, в кремний. Сегодня быстрые тиристоры чаще изготавливаются путем электронного или протонного облучения кремния или путем ионной имплантации . Облучение более универсально, чем легирование тяжелыми металлами, поскольку оно позволяет регулировать дозировку тонкими шагами, даже на довольно поздней стадии обработки кремния.
Обратнопроводящий тиристор (RCT) имеет встроенный обратный диод , поэтому не способен к обратной блокировке. Эти устройства выгодны там, где необходимо использовать обратный или свободный диод. 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 преобразователях частоты и инверторах .
_8.5.8.2.c.svg/1280px-IEEE_315-1975_(1993)_8.5.8.2.c.svg.png)
Фототиристоры активируются светом. Преимуществом фототиристоров является их нечувствительность к электрическим сигналам, которые могут вызывать сбои в работе в электрически шумных средах. Светоуправляемый тиристор (LTT) имеет оптически чувствительную область в своем затворе, в которую электромагнитное излучение (обычно инфракрасное ) подается с помощью оптического волокна . Поскольку для его срабатывания не требуется никаких электронных плат на потенциале тиристора, светоуправляемые тиристоры могут быть преимуществом в высоковольтных приложениях, таких как HVDC . Светоуправляемые тиристоры доступны со встроенной защитой от перенапряжения (VBO), которая срабатывает на тиристоре, когда прямое напряжение на нем становится слишком высоким; они также были сделаны со встроенной защитой прямого восстановления , но не в коммерческих целях. Несмотря на упрощение, которое они могут привнести в электронику клапана HVDC, светоуправляемые тиристоры все еще могут требовать некоторой простой электроники контроля 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 в состоянии «включено». Активируемый светом TRIAC напоминает LASCR, за исключением того, что он предназначен для переменного тока.
Производители тиристоров обычно указывают область безопасного зажигания, определяющую приемлемые уровни напряжения и тока для заданной рабочей температуры . Граница этой области частично определяется требованием, чтобы максимально допустимая мощность затвора (P G ), указанная для заданной длительности импульса запуска, не была превышена. [6]
Помимо обычных видов отказов, вызванных превышением номинальных значений напряжения, тока или мощности, тиристоры имеют свои собственные особые виды отказов, в том числе:
Тиристоры в основном используются там, где задействованы высокие токи и напряжения, и часто используются для управления переменными токами , где изменение полярности тока заставляет устройство автоматически выключаться, что называется операцией « перехода через ноль ». Можно сказать, что устройство работает синхронно ; поскольку после срабатывания устройства оно проводит ток в фазе с напряжением, приложенным к его катодо-анодному соединению, без необходимости дальнейшей модуляции затвора, т. е. устройство полностью смещено . Это не следует путать с асимметричной работой, так как выходной сигнал является однонаправленным, течет только от катода к аноду, и поэтому является асимметричным по своей природе.
Тиристоры могут использоваться в качестве элементов управления для контроллеров с фазовым запуском, также известных как контроллеры с фазовым запуском .
Их также можно найти в источниках питания для цифровых схем , где они используются как своего рода «усовершенствованный автоматический выключатель », чтобы предотвратить повреждение нижестоящих компонентов из-за сбоя в источнике питания. Тиристор используется в сочетании с диодом Зенера , присоединенным к его затвору, и если выходное напряжение источника питания поднимается выше напряжения Зенера, тиристор проводит и замыкает выход источника питания на землю (в общем случае также отключая вышестоящий автоматический выключатель или предохранитель ). Этот вид защитной схемы известен как лом и имеет преимущество перед стандартным автоматическим выключателем или предохранителем в том, что он создает высокопроводимый путь к земле от повреждения напряжения питания и потенциально для накопленной энергии (в системе, которая питается).
Первое крупномасштабное применение тиристоров с соответствующим тиристорным диодом запуска в потребительских товарах, связанных со стабилизированными источниками питания в цветных телевизионных приемниках в начале 1970-х годов. [ необходимо разъяснение ] Стабилизированное высокое напряжение постоянного тока для приемника было получено путем перемещения точки переключения тиристорного устройства вверх и вниз по падающему наклону положительной половины входного напряжения переменного тока (если использовался восходящий наклон, выходное напряжение всегда повышалось бы к пиковому входному напряжению при срабатывании устройства и, таким образом, сводило бы на нет цель регулирования). Точная точка переключения определялась нагрузкой на выходном источнике постоянного тока, а также колебаниями входного переменного тока.
Тиристоры десятилетиями использовались в качестве регуляторов яркости света в телевидении , кино и театре , где они заменили такие устаревшие технологии, как автотрансформаторы и реостаты . Они также использовались в фотографии как важная часть вспышек (стробоскопов).
Тиристоры могут запускаться высокой скоростью нарастания напряжения в закрытом состоянии. При увеличении напряжения в закрытом состоянии на аноде и катоде тиристора будет поток зарядов, аналогичный току зарядки конденсатора. Максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии или рейтинг dV/dt тиристора является важным параметром, поскольку он указывает максимальную скорость нарастания напряжения на аноде, которая не приводит тиристор в состояние проводимости, когда сигнал затвора не подается. Когда поток зарядов из-за скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии на аноде и катоде тиристора становится равным потоку зарядов, инжектируемых при подаче питания на затвор, это приводит к случайному и ложному срабатыванию тиристора, что нежелательно. [7]
Это предотвращается путем подключения демпферной цепи резистор - конденсатор (RC) между анодом и катодом для ограничения dV/dt (т. е. скорости изменения напряжения с течением времени). Демпферы — это поглощающие энергию цепи, используемые для подавления скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи, когда размыкается переключатель, электрический или механический. Наиболее распространенная демпферная цепь — это конденсатор и резистор, соединенные последовательно через переключатель (транзистор).
Поскольку современные тиристоры могут переключать мощность в масштабах мегаватт , тиристорные вентили стали сердцем преобразования постоянного тока высокого напряжения (HVDC) в переменный ток или из него. В области этого и других очень мощных приложений [2] : 12 как электрически запускаемые (ETT), так и светозапускаемые (LTT) тиристоры [8] [9] по-прежнему являются основным выбором. Тиристоры скомпонованы в диодную мостовую схему и для уменьшения гармоник соединены последовательно, образуя 12-импульсный преобразователь . Каждый тиристор охлаждается деионизированной водой , и вся конструкция становится одним из нескольких идентичных модулей, образующих слой в многослойном вентильном стеке, называемом четверным вентилем . Три таких стека обычно монтируются на полу или подвешиваются к потолку вентильного зала объекта дальней передачи. [10] [11]
Функциональный недостаток тиристора заключается в том, что, как и диод, он проводит ток только в одном направлении, поэтому его нельзя безопасно использовать с переменным током . Аналогичное самоблокирующееся 5-слойное устройство, называемое TRIAC , может работать в обоих направлениях. Однако эта дополнительная возможность также может стать недостатком. Поскольку TRIAC может проводить ток в обоих направлениях, реактивные нагрузки могут привести к тому, что он не выключится в моменты нулевого напряжения цикла питания переменного тока . Из-за этого использование TRIAC с (например) сильно индуктивными нагрузками двигателя обычно требует использования « снабберной » цепи вокруг TRIAC, чтобы гарантировать, что он выключится с каждым полупериодом сетевого питания. Обратно-параллельные SCR также могут использоваться вместо симистора; поскольку к каждому SCR в паре приложен целый полупериод обратной полярности, SCR, в отличие от TRIAC, обязательно выключатся. Однако «цена», которую приходится платить за такую схему, — это дополнительная сложность двух отдельных, но по сути идентичных схем управления.
Хотя тиристоры широко используются в мегаваттном масштабе выпрямления 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 МОП-транзисторы или БТИЗ . Одной из основных проблем, связанных с тиристорами, является то, что они не являются полностью управляемыми переключателями. Тиристор GTO и IGCT — это два устройства, связанные с тиристором, которые решают эту проблему. В высокочастотных приложениях тиристоры являются плохими кандидатами из-за длительного времени переключения, возникающего из-за биполярной проводимости. МОП-транзисторы, с другой стороны, имеют гораздо более быструю коммутационную способность из-за своей униполярной проводимости (только основные носители переносят ток).
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
