Малыми токами управления

Лекция 16.

Параметры тиристоров и переходной процесс их включения

малыми токами управления

Процессы включения и выключения тиристоров являются динамическими. Грамотные применение и эксплутация тиристоров предполагает знание особенностей протекания этих процессов. Рассмотрим наиболее важные из них. Но прежде определим некоторые из динамических параметров тиристоров.

Динамические параметры тиристоров. Переход из одного статического состояния в другое про­исходит относительно быстро за время переходных процес­сов включения или выключения. Учет этих процессов, так же как и в транзисторных ключах, необходим для оценки бы­стродействия, энергетических потерь и надежности работы тиристора. На рис. 16.1 приведены типичные диаграммы переключе­ния тиристора из закрытого состояния в открытое и об­ратно. По вертикальной оси верхней системы координат отложены значения анодных напряжений (между анодом и катодом тиристора) и значения анодного тока в различные моменты времени протекания переходных процессов. Вертикальная ось нижней координатной системы служит для отображения значений тока управления, подаваемого на управляющий электрод тиристора.

Из графиков видно, что в момент t₀ на тиристор передается импульс управления и начинается переходный процесс включения тиристо­ра. На интервале t₁-t₂ тиристор открыт. В момент t₂ на тиристор подается обратная коммутирующая ЭДС и начи­нается переходный процесс выключения тиристора (интер­вал t₂-t₃). На интервале t₃-t₄ тиристор заперт. Динамику переключения тиристора описывают следующие пара­метры:

1) время включения t_вкл - время от момента подачи управ­ляющего импульса до момента нарастания анодного тока через тиристор до 90 % установившегося значения при включении на активную нагрузку;

2) время задержки t_зд - время от момента подачи управ­ляющего импульса до момента нарастания анодного тока до 10 % установившегося значения I_а;

время нарастания t_нp- время, соответствующее нарас­танию анодного тока с 10 до 90 % его установившегося зна­чения;

3) время выключения t_выкл - время от момента, когда анодный ток через тиристор достиг нулевого значения, до момента, когда тиристор способен выдерживать, не пере­ключаясь, прикладываемое в прямом направлении напря­жение (рис. 16.1);

4) критическая скорость нарастания прямого тока через ти­ристор (di/dt)_кр- максимальное значение скорости нарас­тания прямого тока через тиристор, не вызывающее необра­тимых процессов в р-п-р-п-структуре и связанного с ними ухудшения параметров тиристора;

5) критическая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)_кр - максимальное значение скорости нарастания прямого напряжения, при котором не происходит включе­ния тиристора при заданном напряжении и разомкнутой цепи управляющего электрода.

Перечисленные параметры называются динамическими.

При оценке режимов эксплуатации тиристоров следует учитывать следующие особенности их динамических параметров. Во-первых, практически все ди­намические параметры характеризуют несколько физиче­ских процессов, протекающих в тиристоре одновременно, и зависят от ряда внутренних параметров прибора: времени жизни, подвижности носителей заряда, емкости переходов и т. п. Во-вторых, как следствие, динамические параметры зависят от режима измерения параметра, так как внутрен­ние параметры являются функцией внешних параметров: характера нагрузки, анодного напряжения, частоты и т. п.

Как показывает опыт, выбор схемы и режима работы широкого класса тиристорных устройств (прежде всего пре­образователей постоянного тока) определяется значением того или иного динамического параметра тиристора или их совокупностью. Так как режимы эксплуатации тиристоров в значительной степени могут отличаться от режима изме­рения динамического параметра, то от разработчика тирис­торных схем требуется глубокое знание физических процес­сов, протекающих при переключении тиристора, умение учитывать особенности режима эксплуатации.

Переходной процесс включения тиристора током управления при малых анодных токах. При подаче «скачком» положительного тока управления в р-базу тиристора анодный ток возрастает не мгновенно, а в течение некоторого времени, которое определяется пе­реходным процессом включения тиристора. Заменим тири­стор двухтранзисторной моделью (рис. 16.2).

Резисторы r₁, r₂, шунтирующие эмиттерные переходы транзисторов, учи­тывают зависимость коэффициентов передачи тока тран­зисторов от тока базы. Таким образом, транзистор Т₁ открывается только тогда, когда базовый ток превысит значение I₁, а транзистор Т₂ откроется при I_Б2 > I₂.

Включение тиристора на малые токи характеризуется тем, что проводящее состояние занимает практически всю площадь полупроводниковой структуры прибора. При этом в обоих базах тиристора устанавливается низкий уровень инжекции носителей заряда. Допустим, что тиристор включается на высокоомную и чисто активную анод­ную нагрузку. Тогда в переходном про­цессе включения можно выделить три этапа: 1) этап физиче­ской задержки, 2) этап регенерации и 3) этап установления со­противления базы (этап установления).

На этапе физической задержки, когда ток базы транзис­тора Т₁ (р-п-р-типа) еще мал (I_Б1 < I₁),этот транзистор за­перт. Но транзистор Т₂, составляю­щий р-п-р-п-структуру тиристора, в это время открыт. Изменение заряда в базе транзистоpa Т₂ описывается уравнением

(16.1)

где Q₂ - заряд неосновных носителей в р-базе тиристора; τ_Б2 - эффективное время жизни неосновных носителей за­ряда в р-базе; I₂ — ток, протекающий через эмиттерный шунт r₂.

Таким образом, анодный ток тиристора на этапе физиче­ской задержки равен коллекторному току I_K2 транзисто­ра T₂. С учетом зависимости коллекторного тока от тока базы (рис. 16.3) можно записать

I_K2 = 0 при I_Б2 < I₂; (16.2)

при I_Б2 > I₂; (16.3)

где ₂ — коэффициент передачи тока базы транзистора T₂.

Решая уравнение (16.1), получаем зависимость коллек­торного тока I_K2 от времени:

, (16.4)

при этом предполагается, что в исходном состоянии накоп­ленный заряд в базе транзистора отсутствует, т. е.

Q₂(0) = 0. (16.4)

Этап физической задержки оканчивается в момент отпи­рания транзистора Т₁, составляющего р-п-р-п-структуру. Это происходит при достижении коллекторным током i_K2 = i_А значения I₁:

I_K2(t_ф,з) = I₁. (16.5)

Длительность этапа физической задержки t_ф,з опреде­лим, подставив (11) в (9), в результате получим:

(16.6)

После того как откроется транзистор Т₁, заканчива­ется этап физической задержки и начинается этап регене­рации. На этом этапе открыты оба транзистора, составляю­щих р-п-р-п-структуру, причем они работают в активной нормальной области, что обеспечивает действие внутренней положительной обратной связи (ПОС). На этом этапе изменение зарядов в базах тиристора, т. е. в р-базе транзистора T₂ и в n-базе тран­зистора Т₁, описывается по методу заряда следующими уравнениями:

(16.7)

где члены и учитывают внутреннюю ПОС в тиристоре (т. е. учитывают появление коллекторных токов и в соответствующих базах). Началь­ные заряды в базах равны:

и .

Решение системы уравнений (13) с учетом началь­ных условий можно представить в виде

(16.8)

где q₁- q₆ коэффициенты, определяемые параметрами структуры тиристора; 1/τ_рег и 1/τ₀ — корни системы уравнений:

, (16.9)

Постоянная времени τ_рег определяет скорость нарастания экспоненты с положительным показателем в решении системы уравнений и называется постоянной времени регенера­ции. Только при условии ( ) > 0 возможно накопление заряда в базах тиристора и его включение. Условие ( ) > 0 обеспечивается при выполнении неравенства (15).

. (16.10)

Это условие является необходимым для включения тиристора. Достаточным для включения тирис­тора можно считать условие, при котором производная из­менения заряда в одной из баз тиристора больше нуля, при этом заряд в этой базе возрастает, что согласно системе уравнений (16.7) со временем неизбежно вызывает увели­чение заряда в другой базе, и тиристор включается.

Для неосновных носителей (дырок) в п-базе тиристора можно представить производную изменения заряда в виде

+

, (16.11)

где t_y — длительность импульса управления.

Таким образом, из (16.11) следует, что включение тирис­тора возможно только при достижении некоторой мини­мальной амплитуды тока управления I_{y min}, обеспечиваю­щей положительное значение множителя при экспоненте с положительным показателем степени:

. (16.12)

Из (16.12) легко видеть, что даже при подаче на вход тиристора постоянного тока управления (бесконечно боль­шая длительность импульса управления) включение тирис­тора произойдет лишь при достижении некоторого значе­ния I_y,cт:

(16.13)

Ток управления I_y,cт называется статическим током управления и определяет минимальное значение постоянно­го тока управления, при котором может включиться тирис­тор. Практически этот параметр характеризует помехо­устойчивость тиристоров.

Из (13) для изменения зарядов в базах можно опре­делить, как меняется во времени анодный ток тиристора на этапе регенерации:

, (16.14)

откуда, учитывая только экспоненту с положительным кор­нем 1/τ_рег, получаем

. (16.15)

Для оценки длительности этапа регенерации при вклю­чении на активную нагрузку имеем из (21)

, (16.16)

где I_А - амплитуда анодного тока тиристора (при полном включении прибора), I_А ≈ E_А/R_А, В_рег - коэффициент реге­нерации тиристора. Значение коэффициента регенерации определяется «си­лой» взаимного влияния транзисторов р-п-р-п-структуры при включении тиристора, т. е. глубиной внутренней ПОС, и пропорционально коэффициентам передачи тока базы транзисторов р-п-р-п-структуры.

Начало этапа установления открытого состояния в пере­ходном процессе включения тиристора на малые токи соот­ветствует смещению коллекторного перехода в прямом направлении (точка F на рис. 16.4). Длительность этого этапа определяется накоплением носителей — модуляцией про­водимости базовых областей. Переходный процесс на этом этапе характеризуется падением напряжения на тиристоре от значения U_F в момент изменения полярности на коллек­торном (центральном) переходе до установившегося значе­ния по мере накопления носителей в базах.