Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

Максимальное напряжение

Для нашего примера оно составляет 800 вольт. Это то напряжение, которое будучи приложено к силовым электродам симистора теоретически еще не вызовет его выхода из строя. Практически же это максимально допустимое рабочее напряжение для коммутируемой данным симистором цепи, в условиях рабочей температуры, попадающей в допустимый температурный диапазон.

Даже кратковременное превышение этого значения не гарантирует дальнейшей работоспособности полупроводникового прибора. Следующий параметр пояснит данное положение.

Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

  Данный параметр всегда указывается в документации, и обозначает он как раз критическое значение напряжения, являющееся предельным для данного симистора.

  Это то напряжение, которое в пике нельзя превышать. Даже если симистор закрыт и не открывается, будучи установлен в цепи с постоянно действующим переменным напряжением, симистор не будет пробит, если амплитуда прикладываемого напряжения не превышает для нашего примера 800 вольт.

Если же к запертому симистору окажется приложено напряжение хоть чуть-чуть выше, хоть на долю периода переменного напряжения, его дальнейшая работоспособность производителем не гарантируется. Данное положение опять же относится к условиям допустимого температурного диапазона.

Максимальный, средний за период, ток в открытом состоянии

   Так называемый максимальный среднеквадратичный (RMS - root mean square) ток, для тока синусоидальной формы это его среднее значение, в условиях приемлемой рабочей температуры симистора. Для нашего примера это максимум 16 ампер при температуре симистора до 100 °C. Пиковый ток может быть и выше, об этом сообщает следующий параметр.

Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии

Это пиковый ток, который указывается в документации на симистор обязательно с приведением максимально допустимой продолжительности действия тока данной величины в миллисекундах. Для нашего примера это 155 ампер в течение максимум 20 мс, что означает практически, что время действия такого большого тока должно быть еще меньше.

Обратите внимание, что среднеквадратичный ток по прежнему не должен быть превышен ни при каких условиях. Это связано с максимальной рассеиваемой корпусом симистора мощностью и с максимально допустимой температурой кристалла менее 125 °C.

Максимальное падение напряжения на симисторе в открытом состоянии

Данный параметр указывает на максимальное напряжение (для нашего примера оно составляет 1,6 вольт), которое установится между силовыми электродами симистора в открытом состоянии, при указанном в документации токе в его рабочей цепи (для нашего примера — при токе в 20 ампер). Обычно чем выше ток — тем больше падение напряжения на симисторе.

Данная характеристика необходима при тепловых расчетах, ибо она косвенно сообщает разработчику о максимальной потенциальной величине рассеиваемой корпусом симистора мощности, что важно при подборе радиатора. Также с ее помощью предоставляется возможность оценить эквивалентное сопротивление симистора в заданных температурных условиях.

Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения симистора

Минимальный ток управляющего электрода симистора, измеряется в миллиамперах, зависит от полярности включения симистора в текущий момент времени, а так же от полярности управляющего напряжения.

Для нашего примера данный ток лежит в диапазоне от 5 до 22 мА в зависимости от полярности напряжения в управляемой симистором цепи. При разработке схемы управления симистором лучше приблизить величину управляющего тока к максимальному значению, для нашего примера это 35 или 70 мА (в зависимости от полярности).

Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии

Измеряется в амперах за микросекунду. Если превысить эту скорость, то симистор будет пробит. Для нашего примера максимальная скорость нарастания тока в открытом состоянии составляет 50 ампер за микросекунду.

Время включения

Для нашего примера это время составляет 2 микросекунды. Это то время, которое проходит от момента достижения током затвора 10% его пикового значения до момента, когда напряжение между анодом и катодом симистора упало до 10% его первоначального значения.

Рабочий диапазон температур

Обычно этот диапазон таков — от -40°C до +125°C. Для данного диапазона температур в документации приводятся динамические характеристики симистора.

Корпус

В нашем примере корпус to220ab, он удобен тем, что допускает крепление симистора к небольшому радиатору. Для тепловых расчетов в документации на симистор приводится таблица зависимости рассеиваемой мощности от среднего тока симистора.

 

Принцип действия тиристора

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

 

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

 

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA, при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

 

Запираемые тиристоры

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, используемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров.

Для устранения этого недостатка разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры называют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) или двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время обладают рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципиально отличное от традиционных тиристоров – свойство полной управляемости. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении идентична ВАХ обычных тиристоров. Однако блокировать большие обратные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и часто соединяется со встречно-параллельно включенным диодом. Кроме того, для запираемых тиристоров характерны значительные падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора необходимо подать в цепь управляющего электрода мощный импульс отрицательного тока (примерно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но короткой длительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20-30 %) по сравнению с обычными тиристорами.

Основные типы тиристоров

Кроме запираемых тиристоров разработана широкая гамма тиристоров различных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Среди них следует отметить следующие типы:

· тиристор-диод, который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодом (рис. 6.12,a);

· диодный тиристор (динистор), переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного между А и С (рис. 6,b);

· запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

· симметричный тиристор или симистор, который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

· быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

· тиристор с полевым управлением по управляющему электроду, например, на основе комбинации МОП-транзистора с тиристором;

· оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) - симистор

Защита тиристоров

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительную индуктивность LS. Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Рис. 7. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров применяются цепи формирования траектории переключения, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

 

 

Максимальное напряжение

Для нашего примера оно составляет 800 вольт. Это то напряжение, которое будучи приложено к силовым электродам симистора теоретически еще не вызовет его выхода из строя. Практически же это максимально допустимое рабочее напряжение для коммутируемой данным симистором цепи, в условиях рабочей температуры, попадающей в допустимый температурный диапазон.

Даже кратковременное превышение этого значения не гарантирует дальнейшей работоспособности полупроводникового прибора. Следующий параметр пояснит данное положение.

Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

  Данный параметр всегда указывается в документации, и обозначает он как раз критическое значение напряжения, являющееся предельным для данного симистора.

  Это то напряжение, которое в пике нельзя превышать. Даже если симистор закрыт и не открывается, будучи установлен в цепи с постоянно действующим переменным напряжением, симистор не будет пробит, если амплитуда прикладываемого напряжения не превышает для нашего примера 800 вольт.

Если же к запертому симистору окажется приложено напряжение хоть чуть-чуть выше, хоть на долю периода переменного напряжения, его дальнейшая работоспособность производителем не гарантируется. Данное положение опять же относится к условиям допустимого температурного диапазона.