Het apparaat en de parameters van thyristors
Een thyristor is een halfgeleiderapparaat met drie (of meer) pn-overgangen, waarvan de stroom-spanningskarakteristiek een negatieve differentiële weerstandssectie heeft en die wordt gebruikt voor het schakelen in elektrische circuits.
De eenvoudigste thyristor met twee uitgangen is een diodethyristor (dynistor). De triode thyristor (SCR) heeft bovendien een derde (stuur)elektrode. Zowel diode- als triodethyristors hebben een vierlaagse structuur met drie p-n-overgangen (fig. 1).
De eindgebieden p1 en n2 worden respectievelijk anode en kathode genoemd, op een van de middengebieden p2 of n1 is een stuurelektrode aangesloten. P1, P2, P3-overgangen tussen p- en n-gebieden.
Een bron E van de externe voedingsspanning is aangesloten op de anode met een positieve pool ten opzichte van de kathode. Als de stroom Iу door de stuurelektrode van de triode-thyristor nul is, verschilt de werking ervan niet van de werking van de diode. In sommige gevallen is het handig om de thyristor voor te stellen als een circuit dat equivalent is aan twee transistors, met behulp van transistors met verschillende soorten elektrische geleidbaarheid pnp en n-Rn (Fig. 1, b).
Afb. 1.Structuur (a) en twee-transistor equivalent circuit (b) van een triode thyristor
Zoals te zien is op afb. 1, b, overgang P2 is een gemeenschappelijke collectorovergang van de twee transistoren in de equivalente schakeling, en overgangen P1 en P3 zijn emitterovergangen. Naarmate de voorwaartse spanning Upr toeneemt (wat wordt bereikt door de emf van de stroombron E te verhogen), neemt de thyristorstroom iets toe totdat de spanning Upr een bepaalde kritische waarde van de doorslagspanning nadert, gelijk aan de inschakelspanning Uin (Fig. 2).
Rijst. 2. Stroom-spanningskarakteristieken en conventionele aanduiding van een triode-thyristor
Bij een verdere toename van de spanning Upr onder invloed van een toenemend elektrisch veld in de P2-overgang wordt een sterke toename waargenomen van het aantal ladingsdragers gevormd als gevolg van impactionisatie tijdens de botsing van ladingsdragers met atomen. Dientengevolge neemt de junctiestroom snel toe naarmate elektronen uit de n2-laag en gaten uit de p1-laag de p2- en n1-lagen binnendringen en ze verzadigen met minderheidsladingsdragers. Met een verdere toename van de EMF van de bron E of een afname van de weerstand van de weerstand R, neemt de stroom in het apparaat toe in overeenstemming met de verticale doorsnede van de I - V-karakteristiek (Fig. 2)
De minimale doorlaatstroom waarbij de thyristor aan blijft, wordt de houdstroom Isp genoemd. Wanneer de doorlaatstroom afneemt tot de waarde Ipr <Isp (dalende tak van de I - V-karakteristiek in Fig. 2), wordt de hoge weerstand van de verbinding hersteld en wordt de thyristor uitgeschakeld. De weerstandshersteltijd van de p - n-overgang is typisch 1 - 100 µs.
De spanning Uin waarbij een lawine-achtige stroomtoename begint, kan worden verlaagd door verder minderheidsladingsdragers te introduceren in elk van de lagen grenzend aan de P2-overgang. Deze extra ladingsdragers verhogen het aantal ionisatieacties in de pn-overgang P2 en daardoor neemt de inschakelspanning Uincl af.
Extra ladingsdragers in de triode-thyristor getoond in Fig. 1, worden in de p2-laag geïntroduceerd door een hulpcircuit dat wordt gevoed door een onafhankelijke spanningsbron. De mate waarin de inschakelspanning afneemt naarmate de stuurstroom toeneemt, wordt weergegeven door de familie van krommen in Fig. 2.
Overgaand naar de open (aan) toestand, schakelt de thyristor niet uit, zelfs niet wanneer de stuurstroom Iy tot nul daalt. De thyristor kan worden uitgeschakeld door de externe spanning te verlagen tot een bepaalde minimumwaarde, waarbij de stroom kleiner wordt dan de houdstroom, of door een negatieve stroompuls te leveren aan het circuit van de stuurelektrode, waarvan de waarde echter , is evenredig met de waarde van de voorwaartse schakelstroom Ipr.
Een belangrijke parameter van de triode-thyristor is de ontgrendelingsstuurstroom Iu aan - de stroom van de stuurelektrode, die zorgt voor het schakelen van de thyristor in de open toestand. De waarde van deze stroom bereikt enkele honderden milliampères.
Afb. 2 is te zien dat wanneer een sperspanning op de thyristor wordt aangelegd, er een kleine stroom in optreedt, aangezien in dit geval de overgangen P1 en P3 gesloten zijn. Om schade aan de thyristor in omgekeerde richting te voorkomen (waardoor de thyristor buiten werking wordt gesteld vanwege thermische storing van de slag), moet de sperspanning lager zijn dan Urev.max.
In symmetrische diode- en triodethyristors valt de inverse I - V-karakteristiek samen met de voorwaartse. Dit wordt bereikt door twee identieke vierlaagse structuren anti-parallel te verbinden of door speciale vijflaagse structuren met vier pn-overgangen te gebruiken.
Rijst. 3. De structuur van een symmetrische thyristor (a), de schematische weergave (b) en de stroom-spanningskarakteristiek (c)
Momenteel worden thyristors geproduceerd voor stromen tot 3000 A en inschakelspanningen tot 6000 V.
De belangrijkste nadelen van de meeste thyristors zijn onvolledige bestuurbaarheid (de thyristor schakelt niet uit na het verwijderen van het stuursignaal) en relatief lage snelheid (tientallen microseconden). Sinds kort zijn er echter thyristors gemaakt waarbij het eerste nadeel is weggenomen (vergrendelende thyristors kunnen worden uitgeschakeld met behulp van de stuurstroom).
Potapov LA