Das Gerät und die Parameter von Thyristoren
Ein Thyristor ist ein Halbleiterbauelement mit drei (oder mehr) pn-Übergängen, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie einen negativen Differenzwiderstandsabschnitt aufweist und das zum Schalten in elektrischen Schaltkreisen verwendet wird.
Der einfachste Thyristor mit zwei Ausgängen ist ein Diodenthyristor (Dynistor). Der Triodenthyristor (SCR) verfügt zusätzlich über eine dritte (Steuer-)Elektrode. Sowohl Dioden- als auch Triodenthyristoren haben einen Vierschichtaufbau mit drei pn-Übergängen (Abb. 1).
Die Endbereiche p1 und n2 werden als Anode bzw. Kathode bezeichnet, eine Steuerelektrode ist mit einem der mittleren Bereiche p2 oder n1 verbunden. P1, P2, P3 – Übergänge zwischen p- und n-Regionen.
Eine Quelle E der externen Versorgungsspannung ist mit einem positiven Pol gegenüber der Kathode an die Anode angeschlossen. Wenn der Strom Iу durch die Steuerelektrode des Triodenthyristors Null ist, unterscheidet sich sein Betrieb nicht vom Betrieb der Diode. In einigen Fällen ist es zweckmäßig, den Thyristor als eine Schaltung darzustellen, die zwei Transistoren entspricht, wobei Transistoren mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeitstypen p-n-p und n-R-n verwendet werden (Abb. 1, b).
Feige. 1.Aufbau (a) und Zwei-Transistor-Ersatzschaltbild (b) eines Triodenthyristors
Wie aus Abb. ersichtlich ist. In 1, b ist der Übergang P2 ein gemeinsamer Kollektorübergang der beiden Transistoren in der Ersatzschaltung, und die Übergänge P1 und P3 sind Emitterübergänge. Wenn die Durchlassspannung Upr ansteigt (was durch eine Erhöhung der EMK der Stromquelle E erreicht wird), steigt der Thyristorstrom leicht an, bis sich die Spannung Upr einem bestimmten kritischen Wert der Durchbruchspannung nähert, der der Einschaltspannung Uin entspricht (Abb . 2).
Reis. 2. Strom-Spannungs-Kennlinien und konventionelle Bezeichnung eines Triodenthyristors
Bei einem weiteren Anstieg der Spannung Upr unter dem Einfluss eines zunehmenden elektrischen Feldes im P2-Übergang ist ein starker Anstieg der Anzahl der Ladungsträger zu beobachten, die durch Stoßionisation beim Zusammenstoß von Ladungsträgern mit Atomen entstehen. Infolgedessen steigt der Sperrschichtstrom schnell an, da Elektronen aus der n2-Schicht und Löcher aus der p1-Schicht in die p2- und n1-Schichten eindringen und diese mit Minoritätsladungsträgern sättigen. Bei einer weiteren Erhöhung der EMF der Quelle E oder einer Verringerung des Widerstandswerts des Widerstands R steigt der Strom im Gerät entsprechend dem vertikalen Abschnitt der I-V-Kennlinie (Abb. 2).
Der minimale Durchlassstrom, bei dem der Thyristor eingeschaltet bleibt, wird Haltestrom Isp genannt. Wenn der Durchlassstrom auf den Wert Ipr <Isp absinkt (absteigender Zweig der I-V-Kennlinie in Abb. 2), wird der hohe Widerstand der Verbindung wiederhergestellt und der Thyristor schaltet ab. Die Widerstandserholungszeit des p-n-Übergangs beträgt typischerweise 1-100 µs.
Die Spannung Uin, bei der ein lawinenartiger Stromanstieg beginnt, kann durch die weitere Einführung von Minoritätsladungsträgern in jede der an den P2-Übergang angrenzenden Schichten verringert werden. Diese zusätzlichen Ladungsträger erhöhen die Anzahl der Ionisationsvorgänge im P2-pn-Übergang und daher sinkt die Einschaltspannung Uincl.
Zusätzliche Ladungsträger im Triodenthyristor in Abb. 1 werden durch einen Hilfsstromkreis, der von einer unabhängigen Spannungsquelle gespeist wird, in die p2-Schicht eingeführt. Wie stark die Einschaltspannung mit zunehmendem Steuerstrom abnimmt, zeigt die Kurvenschar in Abb. 2.
Beim Übergang in den offenen (eingeschalteten) Zustand schaltet der Thyristor nicht ab, selbst wenn der Steuerstrom Iy auf Null absinkt. Das Abschalten des Thyristors kann entweder durch Absenken der externen Spannung auf einen bestimmten Mindestwert erfolgen, bei dem der Strom kleiner als der Haltestrom wird, oder durch Einspeisen eines negativen Stromimpulses in den Stromkreis der Steuerelektrode, dessen Wert jedoch abnimmt entspricht dem Wert des Vorwärtsschaltstroms Ipr.
Ein wichtiger Parameter des Triodenthyristors ist der Entriegelungssteuerstrom Iu on – der Strom der Steuerelektrode, der das Schalten des Thyristors im offenen Zustand gewährleistet. Der Wert dieses Stroms erreicht mehrere hundert Milliampere.
Feige. In Abb. 2 ist zu erkennen, dass beim Anlegen einer Sperrspannung an den Thyristor ein kleiner Strom in diesem auftritt, da in diesem Fall die Übergänge P1 und P3 geschlossen sind. Um eine Beschädigung des Thyristors in Rückwärtsrichtung (die den Thyristor aufgrund eines thermischen Durchschlags des Hubs außer Betrieb setzt) zu vermeiden, muss die Rückwärtsspannung kleiner als Urev.max sein.
Bei symmetrischen Dioden- und Triodenthyristoren fällt die inverse I-V-Charakteristik mit der Vorwärtscharakteristik zusammen. Dies wird durch die antiparallele Verbindung zweier identischer Vierschichtstrukturen oder durch die Verwendung spezieller Fünfschichtstrukturen mit vier pn-Übergängen erreicht.
Reis. 3. Der Aufbau eines symmetrischen Thyristors (a), seine schematische Darstellung (b) und die Strom-Spannungs-Kennlinie (c)
Derzeit werden Thyristoren für Ströme bis 3000 A und Einschaltspannungen bis 6000 V hergestellt.
Die Hauptnachteile der meisten Thyristoren sind die unvollständige Steuerbarkeit (der Thyristor schaltet nach Entfernen des Steuersignals nicht ab) und die relativ niedrige Geschwindigkeit (mehrere zehn Mikrosekunden). In jüngster Zeit wurden jedoch Thyristoren entwickelt, bei denen der erste Nachteil beseitigt wurde (Sperrthyristoren können mithilfe des Steuerstroms abgeschaltet werden).
Potapov L.A.