Η συσκευή και οι παράμετροι των θυρίστορ

Το θυρίστορ είναι μια συσκευή ημιαγωγών με τρεις (ή περισσότερες) συνδέσεις p-n, το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της οποίας έχει τμήμα αρνητικής διαφορικής αντίστασης και χρησιμοποιείται για μεταγωγή σε ηλεκτρικά κυκλώματα.

Το απλούστερο θυρίστορ με δύο εξόδους είναι ένα θυρίστορ διόδου (dynistor). Το τριοδικό θυρίστορ (SCR) έχει επιπλέον ένα τρίτο ηλεκτρόδιο (ελέγχου). Και τα δύο θυρίστορ διόδου και τριόδου έχουν δομή τεσσάρων στρωμάτων με τρεις συνδέσεις p-n (Εικ. 1).

Οι ακραίες περιοχές p1 και n2 ονομάζονται άνοδος και κάθοδος αντίστοιχα, ένα ηλεκτρόδιο ελέγχου συνδέεται σε μία από τις μεσαίες περιοχές p2 ή n1. P1, P2, P3- μεταβάσεις μεταξύ p- και n-περιοχών.

Μια πηγή Ε της εξωτερικής τάσης τροφοδοσίας συνδέεται στην άνοδο με θετικό πόλο σε σχέση με την κάθοδο. Εάν το ρεύμα Iу μέσω του ηλεκτροδίου ελέγχου του τριοδικού θυρίστορ είναι μηδέν, η λειτουργία του δεν διαφέρει από τη λειτουργία της διόδου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι βολικό να αναπαραστήσουμε το θυρίστορ ως ένα κύκλωμα ισοδύναμο με δύο τρανζίστορ, χρησιμοποιώντας τρανζίστορ με διαφορετικούς τύπους ηλεκτρικής αγωγιμότητας p-n-p και n-R-n (Εικ. 1, β).

Σύκο. 1.Δομή (α) και ισοδύναμο κύκλωμα δύο τρανζίστορ (β) ενός θυρίστορ τριόδου

Όπως φαίνεται από το σχ. 1, b, η μετάβαση P2 είναι μια κοινή μετάβαση συλλέκτη των δύο τρανζίστορ στο ισοδύναμο κύκλωμα και οι μεταβάσεις P1 και P3 είναι συνδέσεις εκπομπών. Καθώς αυξάνεται η μπροστινή τάση Upr (η οποία επιτυγχάνεται με την αύξηση του emf της πηγής ισχύος E), το ρεύμα του θυρίστορ αυξάνεται ελαφρώς έως ότου η τάση Upr πλησιάσει μια ορισμένη κρίσιμη τιμή της τάσης διάσπασης, ίση με την τάση ενεργοποίησης Uin (Εικ. . 2).

Ρύζι. 2. Χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης και συμβατικός χαρακτηρισμός θυρίστορ τριόδου

Με μια περαιτέρω αύξηση της τάσης Upr υπό την επίδραση ενός αυξανόμενου ηλεκτρικού πεδίου στη μετάβαση P2, παρατηρείται μια απότομη αύξηση στον αριθμό των φορέων φορτίου που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα του ιονισμού κρούσης κατά τη σύγκρουση των φορέων φορτίου με τα άτομα. Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα διασταύρωσης αυξάνεται γρήγορα καθώς τα ηλεκτρόνια από τη στιβάδα n2 και οι οπές από τη στιβάδα p1 ορμούν στις στιβάδες p2 και n1 και τις διαποτίζουν με μειοψηφικούς φορείς φορτίου. Με περαιτέρω αύξηση του EMF της πηγής Ε ή μείωση της αντίστασης της αντίστασης R, το ρεύμα στη συσκευή αυξάνεται σύμφωνα με την κατακόρυφη τομή του χαρακτηριστικού I — V (Εικ. 2)

Το ελάχιστο προς τα εμπρός ρεύμα στο οποίο το θυρίστορ παραμένει αναμμένο ονομάζεται ρεύμα συγκράτησης Isp. Όταν το προς τα εμπρός ρεύμα μειωθεί στην τιμή Ipr <Isp (φθίνουσα διακλάδωση του χαρακτηριστικού I — V στο Σχ. 2), η υψηλή αντίσταση της σύνδεσης αποκαθίσταται και το θυρίστορ απενεργοποιείται. Ο χρόνος ανάκτησης αντίστασης της σύνδεσης p — n είναι τυπικά 1 — 100 µs.

Η τάση Uin στην οποία αρχίζει μια αύξηση του ρεύματος που μοιάζει με χιονοστιβάδα μπορεί να μειωθεί με την περαιτέρω εισαγωγή φορέων μειοψηφίας φορτίου σε κάθε ένα από τα στρώματα που γειτνιάζουν με τη διασταύρωση P2. Αυτοί οι πρόσθετοι φορείς φόρτισης αυξάνουν τον αριθμό των ενεργειών ιονισμού στη διασταύρωση P2 p-n και επομένως η τάση ενεργοποίησης Uincl μειώνεται.

Πρόσθετοι φορείς φορτίου στο θυρίστορ τριόδου που φαίνεται στο Σχ. 1, εισάγονται στο στρώμα p2 από ένα βοηθητικό κύκλωμα που τροφοδοτείται από μια ανεξάρτητη πηγή τάσης. Ο βαθμός στον οποίο μειώνεται η τάση ενεργοποίησης καθώς αυξάνεται το ρεύμα ελέγχου φαίνεται από την οικογένεια καμπυλών στο Σχ. 2.

Μεταβαίνοντας στην κατάσταση ανοιχτού (on), το θυρίστορ δεν σβήνει ακόμη και όταν το ρεύμα ελέγχου Iy μειωθεί στο μηδέν. Το θυρίστορ μπορεί να απενεργοποιηθεί είτε μειώνοντας την εξωτερική τάση σε μια ορισμένη ελάχιστη τιμή, στην οποία το ρεύμα γίνεται μικρότερο από το ρεύμα συγκράτησης, είτε τροφοδοτώντας έναν αρνητικό παλμό ρεύματος στο κύκλωμα του ηλεκτροδίου ελέγχου, η τιμή του οποίου όμως , είναι ανάλογη με την τιμή του ρεύματος του μεταγωγέα προς τα εμπρός Ipr.

Μια σημαντική παράμετρος του θυρίστορ τριόδου είναι το ρεύμα ελέγχου ξεκλειδώματος Iu on — το ρεύμα του ηλεκτροδίου ελέγχου, το οποίο εξασφαλίζει την ενεργοποίηση του θυρίστορ σε ανοιχτή κατάσταση. Η τιμή αυτού του ρεύματος φτάνει αρκετές εκατοντάδες χιλιοστά αμπέρ.

Σύκο. 2 μπορεί να φανεί ότι όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση στο θυρίστορ, εμφανίζεται ένα μικρό ρεύμα σε αυτό, καθώς σε αυτή την περίπτωση οι μεταβάσεις P1 και P3 είναι κλειστές. Για να αποφευχθεί η βλάβη του θυρίστορ προς την αντίστροφη κατεύθυνση (που θέτει το θυρίστορ εκτός λειτουργίας λόγω θερμικής διάσπασης της διαδρομής), η αντίστροφη τάση απαιτείται να είναι μικρότερη από την Urev.max.

Στα συμμετρικά θυρίστορ διόδου και τριόδου, το χαρακτηριστικό αντίστροφο I — V συμπίπτει με το μπροστινό. Αυτό επιτυγχάνεται με αντιπαράλληλη σύνδεση δύο πανομοιότυπων δομών τεσσάρων στρωμάτων ή με χρήση ειδικών κατασκευών πέντε στρώσεων με τέσσερις συνδέσεις p-n.

Ρύζι. 3. Η δομή ενός συμμετρικού θυρίστορ (a), η σχηματική του αναπαράσταση (b) και το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (c)

Επί του παρόντος, παράγονται θυρίστορ για ρεύματα έως 3000 A και τάσεις ενεργοποίησης έως 6000 V.

Τα κύρια μειονεκτήματα των περισσότερων θυρίστορ είναι η ατελής δυνατότητα ελέγχου (το θυρίστορ δεν σβήνει μετά την αφαίρεση του σήματος ελέγχου) και η σχετικά χαμηλή ταχύτητα (δεκάδες μικροδευτερόλεπτα). Πρόσφατα, ωστόσο, δημιουργήθηκαν θυρίστορ στα οποία έχει αφαιρεθεί το πρώτο μειονέκτημα (τα θυρίστορ κλειδώματος μπορούν να απενεργοποιηθούν χρησιμοποιώντας το ρεύμα ελέγχου).

Potapov L.A.