Тиристоры, Симисторы

Введение

Тиристоры и симисторы - это ключевые полупроводниковые элементы, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний - проводящем (открытом) и непроводящем (закрытом). Перевод из непроводящего в проводящее состояние осуществляется относительно слабым постоянным или импульсным сигналом.

Эти свойства обуславливают основное предназначение тиристоров и симисторов как ключевых элементов для коммутации токов в нагрузке. В отличие от контактных коммутаторов - электромеханических реле, пускателей и контакторов - тиристоры и симисторы осуществляют бесконтактную коммутацию тока в нагрузке со всеми вытекающими из этого положительными последствиями.

Тиристоры в открытом состоянии проводят ток только в одном направлении, симисторы - в двух. Таким образом, один симистор может заменить два встречно-параллельно включенных тиристора. Поэтому решения на симисторах представляются более экономичными.

Контактная и бесконтактная коммутация тока

Прежде чем переходить к рассмотрению принципов работы тиристоров и симисторов и их основных характеристик, сравним контактные (электромеханические реле, пускатели, контакторы) и бесконтактные (тиристоры и симисторы) способы коммутации тока, преимущества и недостатки каждого из них.

Ресурс, количество переключений

Количество переключений полупроводниковых коммутаторов практически неограниченно. Долговечность полупроводников определяется перепадами рабочих температур: количеством циклов и их амплитудой.

Реле, а тем более электромагнитные пускатели, имеют ограниченный ресурс переключений. Различают механический ресурс (механическую износостойкость в отсутствие тока через контакты), который у современных реле составляет 1-2 миллиона переключений, и коммутационную износостойкость при максимальной нагрузке, которая в 10-100 раз ниже. Для оценки укажем, что при непрерывной работе и периоде переключений 10 с, ресурс вырабатывается через 2 недели, при периоде переключений 5 мин - через 1 год. Отсюда сразу следует, что применение контактных коммутаторов оправдано только при редких коммутациях нагрузки (с периодов больше 10 мин).

Частота коммутации

Полупроводниковые коммутаторы допускают коммутацию нагрузки на каждом полупериоде сетевого напряжения.

Примечание: В специальных схемотехнических решениях, в которых применяется принудительное закрытие элементов, частота коммутации может быть еще выше.

У электромеханических устройств, помимо количества циклов переключений, есть и еще одно важное негативное свойство - низкая частота коммутаций цепи нагрузки. Она определяется и механическими свойствами реле и тем, что при возрастании частоты коммутаций реле начинает перегреваться. Выше отмечалось, что при необходимости осуществлять коммутацию электромеханическими устройствами с малыми периодами, срок службы этих устройств будет невелик.

Кроме того, механика - это движущиеся части. А движущиеся части всегда являются источником повышенного риска: истирание осей, увеличение люфта, общее расшатывание механизма вплоть до потери функциональности и т. д.

Искрообразование

Бесконтактные коммутаторы по определению не искрят.

Коммутация при помощи электромеханических устройств неизбежно сопровождается искрообразованием, которое, с одной стороны, приводит к обгоранию контактов и снижению ресурса, а с другой, вызывает сильные высокочастотные электромагнитные помехи, которые могут приводить к сбоям в работе измерительных и микропроцессорных приборов.

Электромагнитные помехи

Для того, чтобы не создавать электромагнитные помехи, возникающие при коммутации сильных токов (проводники с быстро меняющимся током работают как обычные антенны), желательно коммутацию производить в моменты времени, когда эти токи минимальны (в идеале равны нулю). Полупроводниковые коммутаторы, благодаря возможности управления моментом переключения, позволяют применять решения, в которых коммутация производится в моменты нулевого тока в сети.

Контактная коммутация, как правило, осуществляется в произвольные моменты времени, а значит, и в моменты максимальных значений токов. Соответственно, контактная коммутация сопровождается сильными электромагнитными помехами. В результате устойчивость работы контрольно-измерительных систем снижается.

Потери на коммутирующем элементе

Падение напряжения на открытом симисторе составляет 1-2 В и мало зависит от протекающего тока. Как следствие, на открытом симисторе выделяется относительно большая мощность. Например, при токе 40 А на симисторе выделяется 40-80 Вт тепла, которые необходимо отвести. Для этого применяются радиаторы. Это обстоятельство является самым серьёзным недостатком бесконтактных коммутаторов, так как требует дополнительное место для радиатора и удорожает решение.

На контактах реле и пускателей также выделяется определенная мощность, но она меньше, чем у симисторов. Однако, следует иметь в виду, что по мере обгорания контактов выделяемое тепло возрастает. Для борьбы с этим явлением требуется регулярная зачистка контактов или замена всего устройства. Всё это приводит к росту эксплуатационных расходов. Кроме того, необходимо учитывать выделение тепла за счёт прохождения тока через обмотку во включенном состоянии коммутатора.

Экономические соображения

Рассматривая целесообразность применения контактного или бесконтактного способа коммутации, необходимо, помимо сугубо технических преимуществ того или иного способа, учесть следующие экономические соображения.

С одной стороны, контактные коммутаторы, как правило, значительно дешевле бесконтактных устройств, особенно в совокупности с радиаторами.

С другой стороны, ресурс бесконтактных коммутаторов практически неограничен, обслуживание устройств не требуется. Контактные коммутаторы имеют ограниченный ресурс, требуют проведения регламентных работ и регулярной замены в течение срока службы. Как следствие, эксплуатационные расходы растут, а надёжность систем, в которых применяются контактные коммутаторы с малыми периодами переключения, снижается.

Принцип работы

Тиристоры и симисторы относятся к семейству полупроводниковых приборов, свойства которых определяются наличием в полупроводниковой пластине смежных слоёв с разными типами проводимости.

Как отмечалось выше, упрощенно симистор представляет собой два тиристора, подключенных параллельно навстречу друг другу. Поэтому для простоты принцип действия поясним на примере тиристора. Каждый тиристор ? это прибор с четырёхслойной структурой p-n-p-n. Схематически тиристор обозначен на рис. 1.

Рис. 1

Крайняя область p-структуры, к которой подключается положительный полюс источника напряжения, называется анодом (А), крайняя область n-типа, к которой подключается отрицательный полюс источника - катодом (К). Вывод от внутренней области - p-управляющим электродом.

На рис. 2 изображена модель тиристора в виде схемы с двумя транзисторами с различными типами проводимости. База и коллектор транзистора VT1 соединяются соответственно с коллектором и базой транзистора VT2. В результате, база каждого транзистора питается коллекторным током другого транзистора. В схеме образуется цепь положительной обратной связи.

Рис. 2

Если ток Iу через управляющий электрод отсутствует, то оба транзистора закрыты и ток через нагрузку не течёт - тиристор закрыт. Если подать ток Iу больше определенного уровня, то в схеме за счёт положительной обратной связи начинается лавинообразный процесс и оба транзистора открываются - тиристор открывается и остаётся в этом стабильном состоянии, даже если ток Iу больше не подавать.

Таким образом, тиристором можно управлять как постоянным током, так и импульсным. Для того, чтобы тиристор перевести в непроводящее состояние, необходимо снизить ток через него до такого уровня, при котором обратная связь не может больше удерживать схему в стабильном открытом состоянии. Это так называемый ток удержания.

Вольт-амперные характеристики тиристора и симистора

Сначала рассмотрим типовую вольт-амперную характеристику (ВАХ) тиристора, изображенную на рис. 3.

Рис. 3

По горизонтальной оси отложено напряжение между анодом и катодом, а по вертикальной ? протекающий через прибор ток.

Изменяемым параметром семейства характеристик является значение тока Iу в цепи управляющего электрода.

На ВАХ тиристора можно выделить четыре характерных участка, отмеченных на рис. 3 латинскими буквами ABCDE. Дополнительно на рис. 3 показаны нагрузочные прямые I, II, III для различных напряжений сети.

Участок AB соответствует обратной характеристике, когда к аноду тиристора приложено отрицательное напряжение относительно катода. При разомкнутой цепи управления или отсутствии в ней тока (Iу=0) обратная характеристика тиристора аналогична обратной ВАХ полупроводникового диода. В рабочем диапазоне напряжений UЗС от 0 до максимального рабочего, называемого обратным повторяющимся напряжением Uповт, обр max, через прибор протекает очень малый, порядка долей миллиампера, ток (рабочая точка 1).

Прямая ветвь тиристора изображена в первом квадранте системы координат. Она соответствует такой полярности напряжения, когда к аноду приложено положительное относительно катода напряжение.

На отрезке BC вплоть до напряжения переключения Uповт, Пр max тиристор с нулевым управляющим током закрыт и ток через него не превышает 5-15 мА (рабочая точка 2). Переход в открытое состояние (в рабочую точку 3 на участке DE) возможен двумя способами. Первый способ - повышение напряжения на тиристоре, так что рабочая точка доходит до точки С. В этом случае рабочая точка скачкообразно переходит на участок DE. Такой режим включения тиристора применяется редко. Традиционным способом открытия тиристора является подача управляющего тока. В результате кривая BCD на ВАХ спрямляется и рабочая точка также попадает на участок DE, соответствующий открытому состоянию тиристора.

Семейство вольт-амперных характеристик при разных управляющих токах показывает, что при различных напряжениях на тиристоре требуется подача различных токов управления для включения тиристора: малые управляющие токи при больших напряжениях и большие токи при малых напряжениях. При управляющем токе, равном IУЗ, прямая ветвь ВАХ тиристора также совпадает с ВАХ полупроводникового диода.

Отметим, что участок DC характеризует неустойчивое состояние тиристора. Эта область носит название участка с отрицательным электрическим сопротивлением. Из него тиристор всегда переходит в открытое состояние с низким электрическим сопротивлением (на участок DE).

Рабочий участок DE соответствует открытому состоянию симистора и характеризуется малым падением напряжения на приборе Uос при большом токе Ioс.

Эта область характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового диода. Напряжение Uос в зависимости от свойств полупроводниковой структуры равно 1-2 В и слабо зависит от величины протекающего тока Ioс. На переходе тиристора выделяется мощность, которую можно оценить величиной (1...2) Ioс. После падения тока, проходящего через тиристор, ниже значения тока удержания Iуд, тиристор закрывается.

Собственно, в этом и заключается самое полезное свойство тиристора, симистора и других приборов с отрицательным обратным сопротивлением: переключенные в состояние с малым сопротивлением, они остаются в этом состоянии сколь угодно долго, даже после снятия управляющего сигнала, вплоть до падения тока нагрузки ниже тока удержания. Это позволяет управлять симисторами и тиристорами короткими импульсами управляющего напряжения.

Вольт-амперная характеристика симистора очень похожа на ВАХ тиристора, но, поскольку для симистора не существует прямого и обратного направления включения, то кривая симметрична относительно центра координат. Каждая из половин этой кривой напоминает кривую включения тиристора в прямом направлении.

Одним из факторов, делающих симистор более удачным устройством для коммутации переменного тока, чем тиристор, является то, что прибор имеет одинаковые свойства при протекании по нему тока в любом из направлений. Как и тиристор, симистор выключается при токе через него, стремящемся к 0. Это снижает индукционные и другие наведённые токи и помехи в сети, вызываемые отключением питания при высоком напряжении.

Сигналы управления

Несмотря на то, что на тиристорах и симисторах могут присутствовать напряжения различной полярности, для этих полупроводниковых приборов предпочтительным является такая полярность управляющего напряжения, которая совпадает с полярностью напряжения на аноде.

Таким образом, для обеспечения гарантированной работоспособности и наибольшей эффективности, управляющий сигнал должен менять свою полярность на каждой полуволне переменного тока нагрузки. Соответственно, система управления симистором должна "уметь" менять полярность управляющего сигнала в зависимости от направления движения коммутируемого тока.

При формировании сигнала управления надо иметь виду, что он должен иметь некоторую конечную длительность, большую, чем tимп. мин.. Если сигнал управления короче, чем tимп. мин., то симистор может не успеть перейти в стабильное открытое состояние и вернуться в исходное закрытое состояние. Обычно tимп. принимают равным 50 мкс. Этого достаточно для включения большинства симисторов.

Основные параметры симисторов

Сразу заметим, что все характеристики симисторов сильно зависят от рабочей температуры p-n-p-n-структуры. Как правило, указываются два значения - при температуре 25-30 °С и на верхнем пределе рабочего диапазона. Значения параметров в промежуточных точках вычисляют по линейному закону. Для симисторных блоков производства КонтрАвт указываются значения параметров для 30 °С и 50 °С.

Сильное тепловыделение вызвано тем, что на полностью открытом симисторе в рабочем диапазоне всегда сохраняется падение напряжения около 1-2 В, независимо от тока нагрузки. На рис. 3 оно соответствует величине Uос. Таким образом, симистор всегда должен рассеивать мощность в окружающую среду. Как уже отмечалось, при токе нагрузки 40 А симистор должен рассеивать порядка 60-80 Вт, оставаясь при этом в рабочем диапазоне температур. Поэтому симистор, в отличие от реле и других электромеханических коммутационных устройств, немыслим без радиатора, тем большего, чем большую мощность он коммутирует.

Параметры открытого состояния

Тиристоры и симисторы в открытом состоянии характеризуются напряжением Uос, равным 1-2 В и практически независящим от тока открытого состояния.

Максимально допустимый действующий ток Iос, д характеризует коммутационную способность полупроводникового элемента. Максимально допустимый действующий ток Iос, д и ударный ток Iос, уд (короткодействующий импульс большой силы тока, действующий не более 20-50 мс) также зависят от температуры корпуса симистора. Следует отметить, что ударный ток Iос, уд может превышать максимально допустимый действующий ток Iос, д в несколько раз. Это обстоятельство следует учитывать при расчете различных схем защиты полупроводниковых устройств от короткого замыкания.

Еще один важный параметр - ток удержания Iуд - минимальный ток нагрузки, до которого симистор сохраняет своё открытое состояние. После падения тока нагрузки ниже этого значения симистор закроется.

Параметры закрытого состояния

В закрытом состоянии симистор не коммутирует нагрузку, пока напряжение на силовых электродах не превысит Uповт, пр. max (рис. 3). После превышения этого напряжения симистор переключается в открытое состояние. Этот параметр чрезвычайно важен при коммутации цепей с высокими помехами или индуктивными нагрузками. Например, при выключении симистором питания индуктивной нагрузки большой мощности в ней возникает ЭДС самоиндукции с высоким напряжением. Если это напряжение превысит Uповт, пр. max, то возможно неуправляемое открытие симистора. Поэтому такие цепи обычно шунтируют RC-цепочками, фильтрующими соответствующие выбросы.

Также важен параметр UЗС - синусоидальное "безопасное" напряжение, при котором самопроизвольное (Iу=0) включение невозможно.

Существует еще один случай самопроизвольного включения симистора в закрытом состоянии. Это может произойти, когда скорость возрастания коммутационного напряжения превысит некую критическую величину (dU/dt)ком. Этот нежелательный эффект обусловлен емкостным током в центральном переходе p-n-p-n структуры. При высоких скоростях нарастания тока на паразитной ёмкости p-n-перехода управляющего электрода успевает скапливаться заряд, достаточный для включения симистора.

Это явление следует учитывать при каскадном включении нескольких симисторов, используемом для повышения нагрузочной способности схемы. Если основной коммутирующий элемент является очень быстродействующим, то его выключение в цепях с индуктивностью может вызвать настолько быстрые изменения напряжения, которые в свою очередь вызывают ложные срабатывания маломощных управляющих симисторов. В результате схема "не может" выключиться даже при отсутствии сигнала управления.

Параметры управления

Отпирающий постоянный ток управления Iу, отп (на рис. 3 обозначен как I3) характеризует минимальное значение управляющего тока, при котором симистор полностью открывается.

Отпирающее постоянное напряжение управления Uу, от ? напряжение, формирующее Iу, отп, т. е. напряжение управления, при котором симистор гарантированно переходит в открытое состояние.

Неотпирающее постоянное напряжение управления Uу, Нот - напряжение, до которого симистор гарантированно находится в закрытом состоянии. Этот параметр чрезвычайно важен при использовании симистора в цепях с высоким уровнем помех. Если помеха превысит данный параметр, то симистор может открыться. Один из вариантов таких помех обсуждался выше - индуктивность в цепи.

Один из важнейших параметров - время включения (tвкл) - определяет интервал времени, в течение которого симистор переключается из закрытого состояния в полностью открытое при наличии отпирающего импульса управления (≥Uу, отп). Фактически он определяет минимальную длительность сигнала управления, необходимую для гарантированного включения.

(dIос/dt)кр - критическая скорость нарастания тока в момент открытия симистора. Если в цепи скорость нарастания тока превышает максимально допустимую, то происходит эффект разрушения структуры. Он обусловлен тем, что физически управляющий электрод занимает значительно меньшую площадь на кристалле. При включении ток управления распределяется по кристаллу неравномерно и обеспечивает открытие не всей площади p-n-переходов под силовыми электродами. На низких скоростях возрастания тока p-n-переход успевает полностью открыться, а на высоких - сказывается собственное объёмное сопротивление и емкость p-n-переходов.

Тепловые параметры

TП(МАХ) и TП(МIN) - максимальная и минимальная температура перехода особенных пояснений не требуют. У современных приборов температура перехода может достигать 125 °С. Однако при работе на переходе выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить. Способность приборов отводить тепло характеризуется такими параметрами как тепловое сопротивление. Различают тепловое сопротивление контакта переход-корпус и тепловое сопротивление контакта корпус-охладитель.

RТ(П-К) - тепловое сопротивление контакта переход-корпус определяет способность симистора передавать тепло от полупроводника на свой корпус. Параметр RТ(П-К) - тепловое сопротивление контакта корпус-охладитель - определяет размеры и характеристики радиатора, требуемого на отвод тепла, выделяемого при коммутации заданной мощности.

В результате прибор, установленный на радиатор, допускает нормальную эксплуатацию при температурах значительно ниже, чем допустимая температура перехода. В частности, рабочая температура симисторных блоков производства КонтрАвт ограничена 50 °С.

В заключение приведем сравнительную таблицу с указанием основных характеристик, о которых шла речь в данной статье. Данные приведены для трёх широко применяемых симисторов, которые различаются допустимыми токами коммутации. Представленные сведения позволяют получить представления о характерных значениях параметров симисторов.

О схемотехнике и наиболее рапространённых вариантах использования симисторов мы расскажем в следующем номере.

Технические характеристики

Табл. 1.

		TC112-10	TC132-40	TC152-160
I ос. д. (действующее значение тока в открытом состоянии, ток синусоидальный, температура корпуса 85 °С), А		10	40	160
Uзс (постоянное напряжение в закрытом состоянии, во всём допустимом диапазоне температур, синусоидальное напряжение), В, для классов приборов:
	2	200	200	200
	6	600	600	600
	12	1200	1200	1200
Iос, уд. (ударный ток в открытом состоянии, ток синусоидальный, одиночный импульс t=20 мс, температура перехода максимально допустимая), А		70	250	1200
(dIос/dt)кр (критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии, одиночный импульс t=20 мс, температура перехода максимально допустимая), А/мкс		20	63	63
Tп(max) (температура перехода максимально допустимая), °С		+110	+125	+125
Tп(min) (температура перехода минимально допустимая), °С		-60	-60	-40
Uос, и (импульсное напряжение в открытом состоянии, ток синусоидальный, одиночный импульс t=20 мс, температура перехода 25 °С), В, не более		1,65	1,85	1,65
Uос, и (пороговое напряжение в открытом состоянии, температура перехода максимальная), В, не более		1	1	1
Uу, от (отпирающее постоянное напряжение управления, ток управления постоянный, Uзс=12 В), В, не более:
	Tп=25 °С	3,5	4,0	3,0
	Tп=Tп(min)	6,0	7,8	6,0
Uу, нот (неотпирающее постоянное напряжение управления, ток управления постоянный, Uзс=0,67 Uзс, п), В, не менее		0,2	0,25	0,25
Iу, отп (отпирающий постоянный ток управления, Uзс=12 В), мА, не более:
	Tп=25 °С	75	200	150
	Tп=Tп(min)	230	550	400
Iзс, п (повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии, температура перехода максимально допустимая), мА, не более		1,5	5,0	15,0
Iуд (ток удержания, цепь управления разомкнута, Tп=25 °С, Uзс=12В), мА, не более		45	60	60
tвкл (время включения, Tп=25 °С, Uзс=100 В, Iос=Iос, д , форма импульса управления прямоугольная, длительность импульса 50 мкс), мкс, не более		9,0	12	12
tзд (время задержки, условия те же, что и для tвкл), мкс, не более		3,0	4,0	4,0
(dUзс/dt)ком (критическая скорость нарастания коммутационного напряжения в закрытом состоянии, ток синусоидальный, t=10 мс, Tп=Tп(max), Uзс=0,67 Uзс, п), В/мкс, для классов:
	2	4,0	4,0	4,0
	6	-	25,0	25,0
	8	-	-	100
RT(п-к) (тепловое сопротивление переход-корпус), °С/Вт, не более		1,55	0,52	0,2

Литература.

Зи С. "Физика полупроводниковых приборов". - М.: Мир, 1984.
Ю. А. Евсеев, С. С. Крылов. "Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре", 1990.
Замятин В. "Тиристоры. В помощь радиолюбителю: сборник." Вып. 110.
"Компоненты и технологии", 3 2004.

Источник:
SciTecLibrary.ru 27 мая 2008

Автор:
Алексей Костерин, к.т.н., директор ООО НПФ "КонтрАвт"
Алексей Дементьев, начальник сектора рекламы

Обсудить на форуме