СПОСОБ ВЫКЛЮЧЕНИЯ НЕЗАПИРАЕМОГО ТИРИСТОРА Российский патент 2012 года по МПК H01L29/74 

Предлагаемое изобретение относится к области электроники и может быть использовано, в частности, в сильноточной инверторной технике, силовом оборудовании, мощных аналоговых ключах.

Известны способы выключения незапираемого тиристора, такие как отключение анодного тока либо шунтирование тиристора (Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под ред. В.И.Круповича, Ю.Г.Барыбина, М.Л.Самовера. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1982. 416 с., ил., - с.), а также коммутация анодного тока путем изменения полярности питающего напряжения (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. 384 с., - с.290).

Способы имеют существенные недостатки, связанные с большими энергетическими потерями и большим временем выключения тиристора.

Известен также наиболее близкий к предлагаемому изобретению способ выключения незапираемого тиристора коммутацией анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения (Герлах В. Тиристоры: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1985. 328 с., ил., - с.240).

Данный способ также имеет существенные недостатки, связанные с большими энергетическими потерями и большим временем выключения тиристора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является существенное снижение энергетических потерь и времени выключения тиристора.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается в способе выключения тиристора, заключающемся в том, что тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания за счет тока смещения, противоположного по направлению току проводимости при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В открытом состоянии при больших токах нагрузки характеристика тиристора обладает примерно теми же свойствами, что и p-i-n-диода с толщиной базы w, при этом J₁ - эмиттерный переход ЭП1, J₂ - коллекторный переход КП, J₃ - эмиттерный переход ЭП2, n_e, p_e - первый и второй эмиттеры, n_b, p_b - первая и вторая базы (фиг.1). Схема замещения в данном случае может быть представлена как совокупность двух биполярных транзисторов: одного - типа p-n-p, другого - типа n-p-n, и емкости C₂ перехода J₂ (фиг.2). При этом емкость C₂ в общем случае состоит из двух компонент (фиг.3) - барьерной емкости C_б, проявляющей свои основные свойства при обратном смещении перехода J₂, и диффузионной емкости С_диф, связанной с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в области перехода J₂ и характеризующей инерционность движения неравновесных зарядов:

C₂=C_б+С_диф

Свойства диффузионной емкости проявляются при прямом смещении перехода J₂, при котором ее значение может достигать тысяч пикофарад ввиду зависимости от прямого тока. Емкость C₂ всегда шунтирована сопротивлением коллекторного перехода R и содержит контактные сопротивления, учтенные в R_доб.

В общем случае при прямом смещении в области пространственного заряда перехода J₂ протекают не только конвекционные токи α₁I_A и α₂I_K (где I_A - ток анода, I_K - ток катода), образованные встречным движением дырок и электронов, но и ток смещения, вызванный влиянием емкости C₂ (фиг.4):

где I_V(t) - ток смещения;

U_A - анодное напряжение тиристора.

Ток смещения учитывает перезаряд емкости C₂ запирающего слоя перехода J₂, при этом емкостной ток через запирающие емкости переходов J₁ и J₃ достаточно мал, и им можно пренебречь. Следовательно, ток смещения при протекании через переходы J₁ и J₃ является током инжекции. Отсюда следует, что выражение для анодного тока тиристора (при условии пренебрежения явлением умножения носителей заряда в запирающем слое перехода J₂) имеет вид:

где I_CO[U₂(t)] - зависимость полного тока обратносмещенного коллекторного перехода от прямого падения напряжения на переходе J₂;

I_V(t) - ток смещения;

I_G(t) - ток управляющего электрода;

α₁, α₂ - малосигнальные коэффициенты передачи тока в схеме с общей базой.

Из анализа выражения (2) с учетом (1) следует, что при нарастающем анодном напряжении влияние тока смещения I_V(t) может быть таким сильным, что тиристор может открыться даже при нулевом токе управления, а при убывающем анодном напряжении возможно надежное выключение тиристора током I_V(t) смещения. Для этого в общем случае необходимо выполнение условия:

где I_уд - ток удержания.

При этом величина потерь при выключении уменьшается за счет того, что прямое сопротивление тиристора в открытом состоянии меньше, чем его обратное сопротивление.

Одна из схем реализации предлагаемого способа приведена на фиг.5 и состоит из незапираемого тиристора 1, в катодную цепь которого включена нагрузка 2, при этом параллельно тиристору 1 подключена последовательная цепочка, содержащая конденсатор 3, полупроводниковый диод 4 и нормально открытый ключ 5, после замыкания которого заряженный от внешнего источника постоянного напряжения конденсатор 3 подключается параллельно тиристору 1, при этом положительно заряженная обкладка подключается к аноду тиристора, а отрицательно заряженная - к катоду, чем достигается прямое смещение перехода J₂ тиристора 1, при этом цепь, содержащая конденсатор 3 и резистор 6, служит для заряда конденсатора 3.

В результате на переходе J₃ тиристора 1 появляется убывающее анодное напряжение, вызывающее появление направленного противоположно току проводимости тока смещения за счет влияния диффузионной компоненты C_диф емкости C₂ перехода J₂. При этом происходит выключение тиристора, если выполняется условие (3), а диод 4 служит для исключения участия емкости 3 в переходном процессе, возникающем при подаче питающего напряжения на схему.

Время выключения тиристора определяется временем рассасывания накопленного заряда в переходе J₂. Коммутация анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения обеспечивает наименьшее время выключения среди известных способов. Это достигается принудительным выводом дырок из перехода J₂. В предлагаемом способе принудительно выводятся не только дырки, но и электроны, то есть время выключения определяется временем перезаряда емкости C₂ и сравнимо с временем включения тиристора, что меньше времени выключения тиристора при использовании любого из известных способов.

При экспериментальной проверке способа, реализация которого приведена на фиг.5, были использованы: тиристор 1 типа ТЧ40, нагрузка 2 в виде лампы накаливания Б220-230 500 Вт; конденсатор 3 типа МБМ 0,25 мкФ; диод 5 типа КД202Ж; резистор 6 типа МЛТ1 39 кОм. Напряжение питания U_пит=220 В.

Проведенные экспериментальные исследования полностью подтвердили работоспособность предлагаемого способа выключения незапираемого тиристора.

Изобретение относится к области электроники. Сущность изобретения: в способе выключения незапираемого тиристора, тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания, обеспечивающего протекание выходного прямого тока, при этом выключение происходит не за счет изменения тока проводимости, а за счет направленного противоположно току проводимости тока смещения, возникающего при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода тиристора. Технический результат - снижение потерь энергии при выключении тиристора и уменьшение времени его выключения. 5 ил.

Способ выключения незапираемого тиристора, заключающийся в том, что тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания, отличающийся тем, что выключение тиристора осуществляется током смещения, противоположным по направлению току проводимости, при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода.