Управляемые полупроводниковые выпрямительные элементы (тиристоры)

Управляемые полупроводниковые выпрямительные элементы или, как их в последнее время все чаще называют, тиристоры (по аналогии с функционально сходными ионными приборами — тиратронами), состоят из четырех полупроводниковых слоев с проводимостью типа р и n, образующих три перехода типа р-n. Если к управляющему электроду тиристора не приложен потенциал и напряжение между анодом и катодом не превышает допустимого уровня, то независимо от полярности приложенного напряжения между А и К ток не проходит. Если на анод тиристора подается отрицательный и на катод положительный потенциал, то запирающие слои образуются у обоих крайних р-n переходов, если же потенциалы подаются наоборот, то запирающий слой образуется у среднего перехода.

Если не учитывать небольшие токи прямой и обратной утечки, которые проходят через тиристор в запертом состоянии, то вольт-амперную характеристику можно изобразить в виде прямой, совпадающей с осью абсцисс.

Тиристор можно отпереть, приложив небольшое (1—3 в) напряжение между управляющим электродом V и катодом К. При этом к управляющему электроду нужно подвести положительное напряжение, а к катоду — отрицательное. В таком случае через ближайший к катоду р-n переход будет проходить небольшой (100—300 ма) ток управления, т. е. электроны будут двигаться от катода К к управляющему электроду V, а дырки — в обратном направлении. Так как напряжение между анодом и катодом обычно гораздо больше разности потенциалов между управляющим электродом и катодом, то часть электронов по пути к управляющему электроду будет отклоняться и приближаться к среднему р-n переходу, а находящиеся вблизи этого перехода дырки станут перемещаться к катоду. Это означает, что через средний переход ток в обратном направлении будет увеличиваться. Если этот обратный ток достигнет достаточной величины, то средний р-n переход утратит свои запирающие свойства, т. е. будет «пробиваться», и через него в направлении от анода к катоду будет проходить главный прямой ток. Такой процесс отпирания тиристора происходит очень быстро и длится не более 10 мксек. Величина прямого тока, проходящего через открытый тиристор, практически ограничивается только сопротивлением внешней цепи, так как падение напряжения в тиристоре весьма мало и не превышает 1,5—2 в. Открытому состоянию тиристора соответствует вольт-амперная характеристика обычного неуправляемого вентиля, которую практически можно заменить упрощенной линеаризованной характеристикой. Единственное различие между неуправляемым вентилем и тиристором в открытом состоянии состоит в несколько большем падении напряжения между электродами А и К, которое у тиристоров равно 0,5— 2,0 в, а у полупроводниковых вентилей — 0,5—1,0 в.

Если изменить полярность напряжения, приложенного к аноду и катоду, то «пробитый» средний р-n переход в течение 15—25 мксек восстанавливает запирающие свойства и прохождение прямого тока прекращается.

В СССР изготовляются тиристоры с различными параметрами. Так, например, производятся тиристоры небольшой мощности УД63 на номинальный ток 2,0 а.

Диаметр тиристоров УД63 равен 21,5 мм, высота — 40 мм и вес — 18 г. Максимально допустимая температура корпуса +100°С. Допустимая величина тока управления 200 ма (хотя обычно для отпирания тиристора необходим ток 20—50 ма). Эти элементы кратковременно выдерживают значительные перегрузки: в течение 10 мксек — 10 а при среднем значении тока 1 и и в течение 5 мксек — 30 а в виде одиночного импульса.

Тиристоры серий ВКУ-10, ВКУ-20, ВКУ-50, ВКУ-100 и ВКУВ-100, разработанные во Всесоюзном электротехническом ордена Ленина институте им. В. И. Ленина, рассчитаны на номинальные токи 10, 20, 50 и 100 а. В зависимости от величины напряжения переключения, максимально допустимого пикового значения обратного напряжения и падения напряжения при прямом номинальном токе тиристоры серии ВКУ подразделяются на классы и группы.

Номинальное рабочее напряжение тиристоров равно или меньше половины обратного порогового напряжения или напряжения переключения. Величина обратного порогового напряжения и напряжения переключения определяется на вентиле, подключенном к сети переменного тока по однофазной однополупериодной схеме выпрямления при температуре вентиля 120° С.

Номинальным током тиристора принято считать допустимое среднее значение величины выпрямленного тока при длительной работе в однофазной однополупериодной схеме и номинальных условиях охлаждения с углом проводимости 180 эл. град. Допустимая величина тока через тиристор зависит от условий охлаждения; номинальный ток допускается в случае интенсивного принудительного охлаждения при скорости охлаждающего воздуха 10—15 м/сек; при отсутствии принудительного воздушного охлаждения номинальный ток через тиристоры необходимо снижать. Для охлаждаемых водой тиристоров ВКУВ-100 номинальный ток 100 а допускается лишь в случае, если расход охлаждающей воды составляет не менее 4 л/мин.

Максимальное значение напряжения управляющего импульса может тостигать 20 в при токе 2 а. Однако это отнюдь не означает, что для отпирания тиристоров необходим такой большой ток и напряжение. Обычно для отпирания достаточен управляющий импульс напряжения не более 3,5 в при токе 0,3 а.

Время отпирания тиристора не превышает 2—10 мксек, а время запирания — 20—35 мксек. Тиристоры серии ВКУ работают нормально при температуре окружающей среды от —10 до +65° С, а охлаждаемые водой — от 5 до 30° С. Эти тиристоры предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50—500 гц и способны выдержать следующие перегрузки по току: 125% поминальной нагрузки в течение 5 мин — вентили ВКУ-10, ВКУ-20, ВКУ-50 и 30 сек — ВКУ-100 и ВКУВ-100; 200% номинальной нагрузки в течение 5 сек — вентили ВКУ-10, ВКУ-20, ВКУ-50 и 1 сек — ВКУ-100 и ВКУВ-100. В 1964 г. были изготовлены первые образцы тиристоров, рассчитанных на ток 150 а — ВКУ-150.

Тиристоры типов ВКУ и ВКУВ изготовляет Экспериментальный завод Всесоюзного ордена Ленина электротехнического института им. В. И. Ленина. Подобного же типа тиристоры УПВК-50 и УПВК-Ю0 выпускает Подольский химико-металлургический завод. Эти тиристоры рассчитаны на номинальный ток 50 и 100 а; допустимое максимальное пиковое значение обратного напряжения и напряжения переключения у них велико. Остальные параметры тиристоров серии УПВК мало отличаются от соответствующих параметров тиристоров серии ВКУ. В Физико-техническом институте АН СССР им. А. Иоффе и на саранском заводе «Электровыпрямитель» разработаны тиристоры серии ВКДУ, рассчитанные на номинальные токи от 50 до 200 а. Буква Д в шифре этой серии означает, что при изготовлении р-n переходов применялся диффузионный метод. Эти тиристоры выпускает саранский завод «Электровыпрямитель». Тиристоры ВКДУ-50, ВКДУ-100, ВКДУ-150 и ВКДУВ-100, ВКДУВ-150 и ВКДУВ-200 рассчитаны на номинальные токи 50, 100, 150 и 200 а и номинальное рабочее напряжение 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600 и 700 в (соответствующие классы 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5; 6 и 7). Допустимые максимальные пиковые значения прямого и обратного напряжения для тиристоров в 2 раза больше, чем номинальное напряжение.

Вентили серии ВКДУ могут работать при естественном и воздушном принудительном охлаждении, ВКДУВ — при водяном охлаждении. Нормальная работа этих вентилей обеспечивается при следующих условиях окружающей среды: температура для ВКДУ — от —40 до + 110° С; для ВКДУВ — от 5 до 30° С; относительная влажность не более 98%; атмосферное давление не ниже 6О0 мм рт. ст. Длительные вибрации и ударные сотрясения не влияют на работу вентилей. Тиристоры выдерживают перегрузки по току на величину 25% — в течение 30 сек и на 100% — в течение 1 сек. Тиристоры могут соединяться последовательно при условии включения параллельно с ними выравнивающих устройств для соответствующего распределения напряжения между тиристорами. При этом ни один из последовательно включенных тиристоров не должен включаться на напряжение больше номинального.

В последние годы разработаны управляемые полупроводниковые выпрямительные элементы, которые способны рассеивать в обратном направлении мощность в 1 000 раз большую, чем обычные тиристоры. Этим элементам не опасны кратковременные перенапряжения, так как в обратном направлении они способны рассеять почти такую же мощность, как в прямом. Такие элементы — управляемые кремниевые лавинные вентили — могут быть названы лавинными тиристорами, так как механизм пробоя (если приложенное напряжение не превышает определенной границы) имеет лавинный жарактер и не вызывает необратимых изменений в р-n переходах. Это достигается применением очень чистых полупроводниковых материалов и тщательным контролем за толщиной полупроводниковых слоев по всей поверхности, что исключает возможность образования местных пробоев.

Лавинные тиристоры серии УПВКЛ выпускаются на номинальные токи 50, 100, 150 и 200 а и напряжения рт 200 до 800 в. При переходных процессах эти лавинные тиристоры выдерживают кратковременные импульсы обратного напряжения, даже если они намного превышают величину номинального напряжения. Лимитирующим параметром при этом является допустимая для данного лавинного тиристора мощность рассеяния, которая в свою очередь зависит от величины и длительности импульсов.

Лавинные тиристоры серии УПВКЛ предназначены для работы в регулируемых выпрямителях, преобразователях частоты и других устройствах, рассчитанных на ток частотой до 2 000 гц. Конструкция корпуса обеспечивает работу вентилей при значительных линейных вибрационных и ударных ускорениях. Вентили серии УПВКЛ устойчиво работают при температуре окружающей среды от —60 до +120°С (в условиях охлаждения).

Бирзниек Л., Полупроводниковые преобразователи. — М., «Энергия», 1967