Тиристор ( / θ aɪ ˈ r ɪ s t ər / ) представляет собой твердотельный полупроводниковый прибор с четырьмя слоями чередующихся материалов P- и N -типа, используемый для приложений большой мощности. [1] : 12 Действует как бистабильный переключатель (или защелка). [1] : 12 Существует две схемы, различающиеся тем, что вызывает проводящее состояние. В трехвыводном тиристоре небольшой ток на выводе его затвора управляет большим током на пути от анода к катоду. В двухвыводном тиристоре проводимость начинается тогда, когда разность потенциалов между самими анодом и катодом достаточно велика (напряжение пробоя). Тиристор продолжает проводить ток до тех пор, пока напряжение на устройстве не будет смещено в обратном направлении или напряжение не будет снято (какими-либо другими способами), [1] : 12 , или через сигнал управляющего затвора на более новых типах.
Некоторые источники определяют « кремниевый выпрямитель » (SCR) и «тиристор» как синонимы. [2] Другие источники определяют тиристоры как более сложные устройства, которые включают в себя как минимум четыре слоя чередующихся подложек N-типа и P-типа.
Первые тиристорные устройства были выпущены в продажу в 1956 году. Поскольку тиристоры могут контролировать относительно большую мощность и напряжение с помощью небольшого устройства, они находят широкое применение в управлении электроэнергией, начиная от регуляторов освещенности и управления скоростью электродвигателя до высоковольтных устройств. передача электроэнергии постоянным током . Тиристоры могут использоваться в схемах переключения мощности, схемах замены реле, инверторных схемах, генераторных схемах, схемах детектора уровня, схемах прерывателя, схемах регулировки яркости, недорогих схемах таймеров, логических схемах, схемах регулирования скорости, фазовых схемах. схемы управления и т. д. Первоначально тиристоры для выключения полагались только на реверс тока, что затрудняло их применение для постоянного тока; новые типы устройств можно включать и выключать с помощью управляющего сигнала. Последний известен как тиристор запирания затвора или тиристор ГТО.
В отличие от транзисторов , тиристоры имеют двузначную характеристику переключения, что означает, что тиристор может быть только полностью включен или выключен, а транзистор может находиться между включенным и выключенным состояниями. Это делает тиристор непригодным в качестве аналогового усилителя, но полезным в качестве ключа.
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 компании General Electric (GE) под руководством Гордона Холла и коммерциализирован Фрэнком У. из GE». Билл "Гуцвиллер. Институт инженеров по электротехнике и электронике признал это 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 аналогичную возможность электронного переключения, при котором небольшое управляющее напряжение могло переключать большой ток. Термин «тиристор» произошел от сочетания слов «тиратрон» и « транзистор ». [1] : 12
В последние годы некоторые производители [3] разработали тиристоры, использующие карбид кремния (SiC) в качестве полупроводникового материала. Они применяются в условиях высоких температур и способны работать при температуре до 350 °C.
Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводниковый прибор с тремя выводами, каждый слой которого состоит из чередующихся материалов N-типа или P-типа , например PNPN. Основные выводы, обозначенные как анод и катод, расположены на всех четырех слоях. Вывод управления, называемый затвором, прикреплен к материалу p-типа рядом с катодом. (Вариант, называемый SCS — кремниевый переключатель, — выводит все четыре слоя на клеммы.) Работу тиристора можно понять с точки зрения пары тесно связанных транзисторов с биполярным переходом , устроенных так, чтобы вызывать самоблокирующееся действие.
Тиристоры имеют три состояния:
Тиристор имеет три pn-перехода (последовательные названия J 1 , J 2 , J 3 от анода).
Когда анод имеет положительный потенциал V AK по отношению к катоду и на затворе нет напряжения, переходы J 1 и J 3 смещены в прямом направлении, а переход J 2 — в обратном. Поскольку J 2 смещен в обратном направлении, проводимость отсутствует (состояние «выключено»). Теперь, если V AK превышает напряжение пробоя V BO тиристора, происходит лавинный пробой J 2 и тиристор начинает проводить ток (состояние «Включено»).
Если к выводу затвора по отношению к катоду приложен положительный потенциал V G , пробой перехода J 2 происходит при меньшем значении V AK . Подбирая подходящее значение V G , тиристор можно быстро переключить во включенное состояние.
После того, как произошел лавинный пробой, тиристор продолжает проводить ток, независимо от напряжения на затворе, до тех пор, пока: (а) потенциал V AK не будет снят или (б) ток через устройство (анод-катод) не станет меньше заданного тока удержания. производителем. Следовательно, V G может быть импульсом напряжения, таким как выходное напряжение релаксационного генератора UJT .
Импульсы затвора характеризуются напряжением триггера затвора ( V GT ) и током триггера затвора ( I GT ). Ток триггера затвора изменяется обратно пропорционально ширине импульса затвора таким образом, что очевидно, что для запуска тиристора требуется минимальный заряд затвора.
В обычном тиристоре после включения вывода затвора устройство остается зафиксированным во включенном состоянии (т.е. не нуждается в непрерывной подаче тока затвора, чтобы оставаться во включенном состоянии), при условии, что анодный ток превысил ток фиксации ( I L ). Пока анод остается положительно смещенным, его нельзя отключить, если ток не упадет ниже тока удержания ( I H ). В нормальных рабочих условиях ток удержания всегда больше тока удержания. На приведенном выше рисунке IL должен быть выше I H по оси y, поскольку IL > I H .
Тиристор можно отключить, если внешняя цепь вызывает отрицательное смещение анода (метод, известный как естественная или линейная коммутация). В некоторых приложениях это делается путем включения второго тиристора для разряда конденсатора в анод первого тиристора. Этот метод называется принудительной коммутацией.
Как только ток через тиристор упадет ниже тока удержания, должна пройти задержка, прежде чем анод сможет сместиться положительно и удержать тиристор в выключенном состоянии. Эта минимальная задержка называется временем выключения схемы ( t Q ). Попытка положительно сместить анод в течение этого времени приводит к самозапуску тиристора оставшимися носителями заряда ( дырками и электронами ), которые еще не рекомбинировали .
Для применений с частотами выше, чем в бытовой сети переменного тока (например, 50 Гц или 60 Гц), требуются тиристоры с меньшими значениями t Q. Такие быстрые тиристоры можно изготовить путем диффузии в кремний ионов тяжелых металлов , таких как золото или платина , которые действуют как центры объединения зарядов. Сегодня быстрые тиристоры чаще изготавливаются путем электронного или протонного облучения кремния или ионной имплантации . Облучение более универсально, чем легирование тяжелыми металлами, поскольку оно позволяет плавно регулировать дозировку даже на довольно поздней стадии обработки кремния.
Тиристор обратной проводимости (RCT) имеет встроенный обратный диод , поэтому не способен к обратной блокировке. Эти устройства полезны там, где необходимо использовать обратный или обратный диод. Поскольку тиристор и диод никогда не проводят ток одновременно, они не выделяют тепло одновременно и их можно легко интегрировать и охлаждать вместе. Тиристоры обратной проводимости 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, что может привести к сбоям в работе в условиях электрического шума. Световой тиристор (LTT) имеет в затворе оптически чувствительную область, в которую по оптическому волокну подается электромагнитное излучение (обычно инфракрасное ) . Поскольку для его запуска не требуется никаких электронных плат на потенциале тиристора, тиристоры со световым запуском могут быть преимуществом в высоковольтных приложениях, таких как HVDC . Тиристоры со световым управлением доступны со встроенной защитой от перенапряжения (VBO), которая запускает тиристор, когда прямое напряжение на нем становится слишком высоким; они также были созданы со встроенной защитой от прямого восстановления , но не на коммерческой основе. Несмотря на упрощение, которое они могут внести в электронику клапана HVDC, тиристоры со световым триггером все же могут требовать некоторой простой контрольной электроники и доступны только от нескольких производителей.
Два распространенных фототиристора включают светоактивируемый тиристор (LASCR) и светоактивируемый симистор . LASCR действует как переключатель, который включается при воздействии света. После воздействия света, когда свет отсутствует, если питание не отключено и полярность катода и анода еще не поменялась местами, LASCR все еще находится во включенном состоянии. Триак, активируемый светом, похож на LASCR, за исключением того, что он предназначен для переменного тока.
Производители тиристоров обычно указывают область безопасного срабатывания, определяя приемлемые уровни напряжения и тока для данной рабочей температуры . Граница этой области частично определяется требованием непревышения максимально допустимой мощности затвора (PG), заданной для заданной длительности импульса запуска . [5]
Помимо обычных режимов отказа из-за превышения номинальных значений напряжения, тока или мощности, тиристоры имеют свои особые режимы отказа, в том числе:
Тиристоры в основном используются там, где задействованы высокие токи и напряжения, и часто используются для управления переменными токами , когда изменение полярности тока вызывает автоматическое выключение устройства, что называется операцией « перехода через ноль ». Можно сказать, что устройство работает синхронно ; поскольку, как только устройство срабатывает, оно проводит ток в фазе с напряжением, приложенным к его катоду к анодному переходу, без необходимости дальнейшей модуляции затвора, т. е. устройство полностью смещено в положение . Это не следует путать с асимметричной работой, поскольку 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, запускаемых по углу фазы, также известных как контроллеры с фазовым управлением .
Их также можно найти в источниках питания для цифровых схем , где они используются в качестве своего рода «усовершенствованного автоматического выключателя », предотвращающего повреждение последующих компонентов при сбое в источнике питания. Тиристор используется вместе со стабилитроном , прикрепленным к его затвору, и если выходное напряжение источника питания превышает напряжение стабилитрона, тиристор будет проводить и закорачивать выход источника питания на землю (как правило, также отключая входной источник питания). прерыватель или предохранитель ). Этот тип защитной схемы известен как лом и имеет преимущество перед стандартным автоматическим выключателем или предохранителем в том, что он создает путь с высокой проводимостью к земле от повреждения напряжения питания и, возможно, для накопленной энергии (в питаемой системе).
Первое крупномасштабное применение тиристоров с соответствующим диаком запуска в потребительских товарах, связанных со стабилизированными источниками питания в приемниках цветного телевидения , в начале 1970-х годов. [ необходимы разъяснения ] Стабилизированный источник постоянного тока высокого напряжения для приемника был получен путем перемещения точки переключения тиристорного устройства вверх и вниз по падающему наклону положительной половины входного источника переменного тока (если использовался восходящий наклон, выходное напряжение всегда будет повышаться до пикового входного напряжения при срабатывании устройства и, таким образом, не позволит достичь цели регулирования). Точная точка переключения определялась нагрузкой на выходной источник постоянного тока, а также колебаниями входного переменного тока.
Тиристоры десятилетиями использовались в качестве регуляторов освещенности на телевидении , в кино и театре , где они заменили менее совершенные технологии, такие как автотрансформаторы и реостаты . Они также использовались в фотографии как важная часть вспышек (стробоскопов).
Тиристоры могут срабатывать при высокой скорости нарастания напряжения в выключенном состоянии. При увеличении напряжения в закрытом состоянии через анод и катод тиристора возникнет поток зарядов, аналогичный зарядному току конденсатора. Максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии или номинал dV/dt тиристора является важным параметром, поскольку он указывает максимальную скорость нарастания анодного напряжения, при которой тиристор не переходит в проводимость, когда не подается сигнал на затвор. Когда поток зарядов из-за скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии на аноде и катоде тиристора становится равным потоку зарядов, инжектируемых при включении затвора, это приводит к случайному и ложному срабатыванию тиристора, что нежелательно. . [6]
Это предотвращается путем подключения снабберной цепи резистор - конденсатор (RC) между анодом и катодом, чтобы ограничить dV/dt (т. е. скорость изменения напряжения с течением времени). Демпферы — это энергопоглощающие схемы, используемые для подавления скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи при размыкании переключателя, электрического или механического. Наиболее распространенная схема демпфера представляет собой конденсатор и резистор, соединенные последовательно через ключ (транзистор).
Поскольку современные тиристоры могут переключать мощность в мегаваттах , тиристорные клапаны стали основой преобразования постоянного тока высокого напряжения (HVDC) в переменный ток или из него. В области этого и других очень мощных приложений [1] :12 тиристоры как с электрическим (ETT), так и со световым управлением (LTT) [7] [8] по-прежнему являются основным выбором. Тиристоры собраны 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 многослойной ламповой батарее, называемой четверным клапаном . Три таких стека обычно монтируются на полу или подвешиваются к потолку вентильного зала предприятия передачи электроэнергии на большие расстояния. [9] [10]
Функциональным недостатком тиристора является то, что он, как и диод, проводит ток только в одном направлении, поэтому его нельзя безопасно использовать с переменным током . Подобное самофиксирующееся 5-слойное устройство, называемое ТРИАК , способно работать в обоих направлениях. Однако эта дополнительная возможность также может стать недостатком. Поскольку симистор может проводить ток в обоих направлениях, реактивные нагрузки могут привести к тому, что он не выключится в моменты нулевого напряжения цикла питания переменного тока . По этой причине использование симисторов с (например) сильно индуктивными нагрузками двигателя обычно требует использования « демпферной » цепи вокруг триака, чтобы гарантировать его выключение при каждом полупериоде сетевого напряжения. Вместо симистора также можно использовать инверсно-параллельные тиристоры; поскольку к каждому SCR в паре приложен целый полупериод обратной полярности, SCR, в отличие от симисторов, обязательно отключаются. Однако «цена», которую приходится платить за эту схему, — это дополнительная сложность двух отдельных, но по существу идентичных схем управления.
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 практически заменены другими устройствами с превосходными характеристиками переключения, такими как силовые МОП-транзисторы. или IGBT . Одна из основных проблем, связанных с SCR, заключается в том, 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, обусловленного биполярной проводимостью. МОП-транзисторы, с другой стороны, имеют гораздо более быструю коммутационную способность из-за их униполярной проводимости ( ток переносят только основные носители ).
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
