7. VÍCEVRSTVÉ SPÍNACÍ SOUČÁSTKY

Transkript

1 7. VÍCEVRSTVÉ SPÍNACÍ SOUČÁSTKY V této kapitole se budeme zabývat spínacími prvky tyristorového typu. Slovo tyristor má anglickou obdobu thyristor a pochází z řečtiny, kde znamená dveře. Tyristor je obecné označení pro bistabilní polovodičové součástky, které mají tři nebo více přechodů PN a mohou se přepínat z blokovacího do propustného stavu a obráceně. Do skupiny tyristorů se počítá mnoho součástek. Podle průběhu ampérvoltové charakteristiky se tyristory dělí do tří skupin: A) závěrně blokující, které mohou spínat jen při jedné polaritě hlavního napětí (hlavním napětím rozumíme napětí přivedené na hlavní vývody A-K nebo A 1 -A 2 ). Při opačné polaritě mají stejné vlastnosti jako usměrňovací diody v závěrném směru. B) obousměrné spínací, které mohou spínat při obou polaritách hlavního napětí. C) závěrně vodivé, které mohou spínat jen při jedné polaritě hlavního napětí a při opačné polaritě mají stejné vlastnosti jako usměrňovací diody v propustném směru. Obr Průběhy ampérvoltových charakteristik tří skupin tyristorů Podle počtu elektrod (vývodů) rozlišujeme: a) diodové tyristory, které mají dva hlavní vývody (značené A a K nebo A 1 a A 2 ). Jejich zapnutí se uskutečňuje zvýšením blokovacího napětí nad hodnotu blokovacího spínacího napětí U (B0) nebo světelným signálem. Diodové tyristory jsou vyráběny jako nevýkonové součástky a v aplikacích se používají v pomocných a ovládacích obvodech triodových tyristorů. b) triodové tyristory, které mají dva hlavní a jeden pomocný vývod G (řídicí elektrodu, hradlo, mřížku, gate), k němuž se přivádí proudový signál pro převedení tyristoru z blokovacího do zapnutého stavu. Zapínání řídicím proudem je u nich převažujícím způsobem. Triodové tyristory se nejvíce rozšířily, a to jak v nevýkonových, tak ve výkonových aplikacích. c) tetrodové tyristory (tyristorové tetrody), které mají dva hlavní a dva pomocné vývody. Pomocné vývody slouží k zapínání, popř. i vypínání, řídicím proudem obou polarit. Činnost tyristorů je založena na tyristorovém jevu. Všechny tyristory jsou vyráběny z křemíku a patří k nejdůležitějším a nejrozšířenějším polovodičovým součástkám. Svými aplikačními možnostmi tyristory pronikavě ovlivnily řešení všech problémů souvisejících s řízením elektrického výkonu. Je potřeba uvést, že názvy jednotlivých tyristorových součástek vytvořených kombinací přívlastků A, B, C a přívlastky a, b, c jsou v praxi málo používané. V praxi (i v katalozích) se používají názvy kratší. Uveďme nyní přehled jednotlivých součástek a jejich názvů: Aa) Diodový závěrně blokující tyristor (čtyřvrstvá dioda, Shockleyova dioda). Ba) Diodový obousměrně vodivý tyristor (pětivrstvá dioda). Podobnou AV charakteristiku má třívrstvá dioda (diak), což je souměrný lavinový tranzistor. Ab) Triodový tyristor závěrně blokující. Je v praxi nejrozšířenější a nazýváme jej zkráceně tyristor. Pokud tedy hovoříme o tyristorech (bez dalšího upřesnění), míníme tím vždy triodové tyristory. V anglicky psané literatuře se označuje jako SCR (silicon controlled rectifier). Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky 171

2 Bb) Triodový tyristor obousměrně vodivý. Nazýváme jej triak nebo obousměrný tyristor. Je to pětivrstvá struktura. Cb) Triodový tyristor závěrně vodivý. Ac) Tetrodový tyristor závěrně blokující (tyristorová tetroda). Další kombinace neexistují. 7.1 Tyristor Funkce tyristoru je založena na tzv. tyristorovém jevu. tj. lavinovém přechodu z blokovacího do propustného stavu. Tyristorový jev je vlastně spojení dvou tranzistorových jevů ve čtyřvrstvé struktuře. Vznik tyristorového jevu je podmíněn existencí závislosti proudového zesilovacího činitele plošného tranzistoru na proudu emitoru a na kolektorovém napětí (obr. 7.2). Tyristor je čtyřvrstvá struktura se třemi přechody PN (obr. 7.3). Tyto přechody ovlivňují funkci součástky ve třech základních stavech, které jsou: - závěrný stav, - blokovací (vypnutý) stav, - propustný (sepnutý) stav. Poznamenejme, že je nutné důsledně rozlišovat závěrný a blokovací stav, přestože v obou případech tyristor téměř nevede proud. Obr Závislost zesilovacího činitele bipolárního křemíkového tranzistoru na: a) proudu emitoru při třech různých teplotách struktury a b) kolektorovém napětí a) b) Obr Základní uspořádání vrstev a schematické značení tyristoru a) PNPN a b) NPNP V praxi je možné konstruovat tyristory typu PNPN i NPNP (obr. 7.3). Zkratky PNPN a NPNP vyžadují vysvětlení (čteme-li první odzadu, dostaneme druhou). Oba typy se rozlišují tím, ke které vrstvě je připojena řídicí elektroda, buď k vnitřní vrstvě P, nebo k vni-třní vrstvě N. Potom tyristor PNPN má řídící elektrodu G P a tyristor NPNP má řídicí elektrodu G N. V praxi se užívá struktura PNPN, protože u struktury NPNP se z fy-zikálně technologických dů- vodů nedaří dosahovat potřeb- Obr Rozložení koncentrace příměsí v tyristoru PNPN a AV charakteristika tyristoru 172 Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky

3 ných parametrů (tj. při odpovídající struktuře jsou vždy horší; jiná situace je u nevýkonových tyristorů, kde jsou známy vydařené konstrukce tyristorové tetrody, která má řídicí elektrodu G P i G N ). Anoda a katoda jsou připojeny k vnějším vrstvám, anoda k vrstvě P, katoda k vrstvě N. Tyristor má tři přechody PN, označené J 1, J 2, J 3, jejichž funkce jsou odlišné. Na obr. 7.4 je schematicky znázorněno rozložení koncentrace příměsí ve struktuře PNPN. Je zřejmé, že v rovnovážném stavu budou oblasti přechodu J 1 a J 2 širší než oblast přechodu J Tyristor v závěrném stavu V tomto případě bude na anodu tyristoru připojen záporný pól a na katodu kladný pól vnějšího zdroje. Poznamenejme, že v tomto případě nesmí být na řídicí elektrodě G kladný potenciál. Přechody J 1 a J 3 jsou proto polarizovány v závěrném směru, zatímco přechod J 2 je v propustném stavu. Ochuzené oblasti přechodů J 1 a J 3 se proto rozšíří (dochází k extrakci minoritních nosičů náboje), přechod J 2 však minoritní nosiče náboje injektuje. Vzhledem k platnosti rovnice celkové neutrality prostorového náboje na přechodu PN bude ochuzená oblast přechodu J 1 nejširší, takže téměř celé napětí vnějšího zdroje bude na přechodu J 1. Z tohoto důvodu určuje přechodová oblast J 1 závěrné vlastnosti tyristoru. Celkový proud, který v tomto případě prochází tyristorem, bude určen saturační proudovou hustotou přechodu J 1. Všimněme si, že ve svých úvahách nepředpokládáme vliv injektovaných minoritních nosičů náboje z přechodu J 2. To znamená, tloušťka vrstvy N 1 mezi přechody J 1 a J 2 musí vyhovovat podmínce L>L p, kde L p je difúzní délka minoritních děr v diskutované oblasti. Obr Tranzistorové náhradní schéma čtyřvrstvé struktury tyristoru Tyristor v blokovacím stavu V případě, že na anodu A tyristoru připojíme kladný pól vnějšího zdroje a na katodu K záporný pól zdroje, budou přechody J 1 a J 3 polarizovány v propustném směru a přechod J 2 je polarizován ve směru závěrném. Vzhledem k tomu, že tloušťka vrstvy N 1 mezi přechody J 1 a J 2 vyhovuje podmínce L>L p, nedochází k injekci minoritních nosičů náboje z oblasti přechodu J 1 do oblasti přechodu J 2. Současně nemůže docházet ani k injekci nosičů náboje z oblasti přechodu J 3 do oblasti přechodu J 2, protože téměř celé napětí vnějšího zdroje bude na přechodu J 2, takže na přechodu J 3, který je polarizován v propustném směru, je velmi nízké napětí. Přesto konstrukce tyristoru nevylučuje, že pro dostatečně vysoké hodnoty napětí vnějšího zdroje, nemůže dojít ke stavu, kdy injektované minoritní nosiče náboje (elektrony) z oblasti přechodu J 3 mohou proniknout vrstvou P 2 do oblasti přechodu J Přechod tyristoru z blokovacího do propustného stavu Dosud jsme ve svých úvahách o jednotlivých stavech tyristoru předpokládali, že na řídicí elektrodě G tyristoru nebyl žádný potenciál, který by umožnil vznik proudu i G. Pro vysvětlení přechodu tyristoru z blokovacího stavu do stavu propustného (též tzv. zapnutý stav) vyjdeme z blokovacího stavu, který musí nutně sepnutí tyristoru předcházet. V blokovacím stavu tyristoru jsou přechody J 1 a J 3 polarizovány v propustném směru a přechod J 2 je polarizován ve směru závěrném. Kdyby se podařilo oblast přechodu J 2 zaplavit volnými nosiči náboje tak, že jejich koncentrace postačí ke kompenzaci ionizovaných příměsí v oblasti přechodu J 2, došlo by k podstatnému zúžení Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky 173

4 ochuzené oblasti přechodu J 2 a tím k přepolarizaci tohoto přechodu do propustného stavu. Protože ani jedna z dosud uvedených variant možných polarit vnějšího napětí tento stav nevyvolá (s jedinou výjimkou, o které se zmíníme později), je nutné využít řídící elektrodu G. Připojíme-li na řídicí elektrodu napětí proti katodě K tak, aby byl přechod J 3 mezi řídicí elektrodou a katodou polarizován v propustném stavu, začne řídicí elektrodou procházet proud i G. Přechodem J 3 nyní tedy prochází podstatně vyšší proudová hustota, než při blokovacím stavu. Přechod J 3 injektuje do vrstvy P 2 minoritní nosiče (elektrony), z nichž velká část se difúzí dostane do oblasti přechodu J 2 který je polarizován v závěrném směru. Elektrické pole, vytvořené v ochuzené (vyčerpané) oblasti přechodu přechodu J 2, přicházející nosiče (elektrony) urychlí, a ty se snadno dostanou do vrstvy N 1, ve které jsou již majoritními nosiči. Vyšší koncentrace majoritních nosičů v oblasti N 1 podmíní zvýšení injekce minoritních nosičů z přechodu J 1. Část injektovaných nosičů (tentokráte děr) se opět difúzním pohybem dostane k přechodu J 2 (proto podmínka L>L P ) a snadno pronikne až do vrstvy P 2. Zde jako majoritní nosiče podmiňují zvýšení injekce přechodu J 3. Proces zvyšování injekce přechodů J 1 a J 3 pokračuje tak dlouho, až v obou vrstvách N 1 a P 2 bude takové množství minoritních nosičů náboje, že postačí ke kompenzaci náboje ionizovaných příměsí v oblasti prostorového náboje přechodu J 2. Tím dojde k přepolarizaci přechodu J 2 do propustného stavu. Poznámka: Toto je podstatou tyristorového jevu. Na obr. 7.5 vidíme, že si (pro účel jeho vysvětlení) můžeme tyristor nahradit dvěma komplementárními tranzistory, které mají společný kolektorový přechod PN (J 2 ). Tím vznikne klopný obvod s kladnou zpětnou vazbou. Proud řídicí elektrody vyvolá zvětšující se emisi obou emitorových přechodů, které pokračuje tak dlouho... Přepolarizací přechodu J 2 klesá úbytek napětí na celé čtyřvrstvé struktuře na malou hodnotu (řádově kolem 1V). Na této hodnotě potom setrvá tak dlouho, dokud proud procházející tyristorem neklesne pod hodnotu tzv. vratného proudu I H, a to i v tom případě, že řídicí proud i G se zmenší na nulu. Popsaný způsob sepnutí tyristoru je nejrozšířenějším způsobem. Dalším používaným způsobem je zvýšení blokovacího napětí nad hodnotu U (B0), kdy injektované minoritní nosiče z oblasti přechodu J 3 proniknou vrstvou P 2 do oblasti přechodu J 2, přičemž v oblasti závěrně polarizovaného přechodu se začne uplatňovat lavinový jev (obr. 7.2). Tento způsob sepnutí (vyvolání tyristorového jevu) se uplatňuje především u diodových tyristorů a u ostatních typů jej lze použít pouze tehdy, pokud to výrobce povoluje. Třetí způsob je spínání světelným zářením. Světelné záření vyvolává generaci nosičů náboje (párů elektron - díra) v ochuzené oblasti přechodu J 2. Elektrony jsou působením elektrického pole převáděny přes přechod J 2 do vrstvy N 1 a zmenšují její potenciál vůči vrstvě P 1 (stejně tak jako zbylé díry zmenšují potenciál vrstvy P 2 vůči vrstvě N 2 ). Následkem toho emitují přechody J 1 a J 3 minoritní nosiče. Je-li osvětlení dostatečně velké, vznikne v oblasti přechodu J 2 takové množství párů elektron - díra, že přechody J 1 a J 3 budou emitovat dostatečné množství minoritních nosičů a tyristor přejde do sepnutého stavu. Obr Princip sepnutí nadměrnou strmostí nárůstu blokovacího napětí Kromě uvedených a v praxi využívaných způsobů sepnutí tyristoru se vyskytují i dva způsoby nežádoucí: - sepnutí zvýšenou teplotou, - sepnutí strmostí nárůstu blokovacího napětí. Sepnutí zvýšenou teplotou křemíkové destičky vychází z teplotní závislosti proudových zesilovacích činitelů (obr. 7.2a) obou náhradních tranzistorů a z teplotní závislosti obou složek zbytkového proudu I po a I no ; s teplotou se zvětšují podle exponenciální závislosti. Při zvyšování teploty křemíkové destičky (obvykle s důsledky vývinu tepla od procházejícího proudu) tak dochází k podstatnému zvětšení počtu párů elektron - díra, které procházejí závěrně polarizovaným přechodem J 2 a zvětšený proud prochází i oběma emitorovými přechody J 1 a J 3. Při určité teplotě křemíkové destičky se může natolik zvětšit proud procházející přechodem J 2, a tím i proudové zesilovací činitele náhradních tranzistorů, že je α 1 + α 2 1. Tyristor zapne při menším řídicím proudu a nižším anodovém napětí (než když měl teplotu okolí). Čím vyšší je teplota, tím dříve (při nižším napětí) tyristor zapne, až při určité teplotě ( J 3 na obr. 7.2a) ztratí tyristor zcela blokovací schopnosti a bude se chovat stejně jako usměrňovací dioda. Zapínání tyristoru zvýšenou teplotou je nežádoucí jev. Je jednou z hlavních příčin poměrně nízkých dovolených provozních teplot tyristorů, z čehož vyplývá i menší měrná proudová zatížitelnost těchto součástek ve srovnání s usměrňovacími diodami. Proto také, pokud nepracujeme se zcela malými proudy, je tyristor za provozu třeba chladit. Princip sepnutí velkou strmostí nárůstu blokovacího napětí vysvětlíme dle obr Kapacitor C 2 připojený k vrstvám N 1 a P 2 struktury, představuje kapacitu přechodu J 2. Při strmém nárůstu blokovacího napětí u D prochází 174 Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky

5 kapacitorem C 2 proud i C = C 2 (du AK /dt), který zároveň prochází oběma emitorovými přechody J 1 a J 3. Zvětšuje tak proudové zesilovací činitele obou náhradních tranzistorů. Je-li i C dostatečně velký, je α 1 + α 2 1 a tyristor zapne. Kapacitní proud se chová stejným způsobem jako řídicí přiváděný do některé z bázových vrstev (N 1, P 2 ). Praktickým důsledkem působení kapacitního proudu v době nárůstu blokovacího napětí je, že čtyřvrstvé struktury (tyristory) mohou zapínat, aniž by blokovací napětí dosáhlo hodnoty spínacího napětí U (B0) zjištěného při a) b) c) d) e) f) Obr Konstrukce tyristoru: a) základní, b) princip zkratování emitorvého přechodu J 3 (sh=shunt), c) dvoutranzistorové náhradní schéma při zkratovaném katodovém emitoru, d) konkrétní provedení zkratů, e) zkratování emitorového přechodu J 1 (anodového), f) náhradní schéma struktury ad e), proudová zatížitelnost diody je nižší než samotného tyristoru T pomalu vzrůstajícím napětí. Zmenšení vlivu obou nežádoucích způsobů zapínání se u výkonových tyristorů dosahuje úpravou vrstvy N 2 podle obr Tato vrstva je na mnoha místech zkratována výběžky vrstvy P 2 (které jsou vzájemně propojené katodovým kontaktem), nazýváme je mikrosvody. Úprava způsobí, že kapacitní proud nebo teplotou zvětšený proud přechodu J 2 prochází výběžky vrstvy P 2 až ke katodovému vývodu. Prochází tak mimo přechod J 3 a neovlivňuje činnost náhradního tranzistoru NPN. K zapnutí této čtyřvrstvé struktury dojde při vyšších teplotách křemíkové destičky nebo při vyšších strmostech nárůstu blokovacího napětí v okamžiku, kdy úbytek na odporu svodů (výběžcích vrstvy P 2 ) dosáhne hodnoty, při níž nastane emise minoritních nosičů z vrstvy N 2. Přechod ze sepnutého (propustného) stavu blokovacího docílíme tím, že: - snížíme proud procházející tyristorem na hodnotu menší než je hodnota vratného proudu I H (v prvém přiblížení je možné říci: na hodnotu blízkou nule), - na tyristor připojíme závěrné napětí. Lze tedy vypnutí docílit tím, že přerušíme pracovní obvod tyristoru nebo ve druhém případě změnou polarity napětí připojeného na tyristor. Připomínáme, že vypnutí tyristoru nelze dosáhnout přerušením proudu v řídicím obvodu (tj. na rozdíl od bipolárního tranzistoru setrvává tyristor ve vodivém stavu, i když odpojíme zdroj proudu od řídicí elektrody G; uveďme ještě, že v řadě případů je nutné zapínat řídicí elektrodu jen tehdy, je-li na tyristoru napětí v propustném směru, a to až před okamžikem sepnutí - jinak dochází k růstu závěrného proudu a velkému ohřevu tyristoru). Závěrem našich úvah o dějích v tyristorové struktuře uveďme funkci jednotlivých přechodů v tyristoru. Přechod J 3 se uplatní při spínání, působí jako řídicí přechod. Tvoří jej silně dotované polovodiče. Přechod J 2 určuje blokovací schopnosti tyristoru, a tím v podstatě poměr odporů v sepnutém a vypnutém (blokovacím) stavu. Přechod J 1 určuje závěrné vlastnosti tyristoru. Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky 175

6 7.2 Tyristor jako spínač Tyristor lze použít pouze jako spínač, jiná použití (oscilátor, zesilovač) jsou možná jen se speciálními konstrukcemi. Tyristor je popsán statickými a dynamickými parametry. Dynamické parametry vyjadřují chování tyristoru při přechodech z blokovacího do propustného stavu (spínání), z propustného do závěrného stavu (komutace) a ze závěrného do blokovacího stavu (obnovení blokovací schopnosti). Na obr. 7.8 jsou znázorněny průběhy řídicího a anodového proudu a průběh napětí mezi anodou a katodou během typického pracovního cyklu tyristoru. Obr Průběhy řídicího a anodového proudu, průběhy vnějšího napětí a napětí mezi anodou a katodou při sepnutí a vypnutí tyristoru (vypnutí pomocí komutace obvodu) 7.3 Speciální druhy tyristorů Požadavky na současné dosažení vysoké úrovně statických i dynamických parametrů nejdou splnit současně. Dále aplikace požadují jednoduché způsoby zapínání i vypínání, galvanické oddělení řídicích a silových obvodů a také integraci několika součástek do jednoho pouzdra. Proto jsou konstruovány - speciální tyristory pro různé oblasti použití (vysokonapěťové tyristory, rychlé tyristory), - speciálně řízené tyristory (GATT, vypínací tyristor GTO, triak, foto- a optotyristor, tyristor řízený polem SIT), - výkonové integrované součástky, tyto: a) z důvodu funkce (zpětně propustný tyristor, triak, v jistém smyslu i středofrekvenční tyristor, GATT, GTO), b) z důvodů zjednodušení a ekonomického zvýhodnění montáže (bezpotenciálové moduly, výkonové hybridní obvody, relé v pevné fázi) Rychlý tyristor Základní požadavky na rychlý tyristor jsou: krátká zapínací a vypínací doba, vysoká odolnost proti nárůstu blokovacího napětí du D /dt a proti nárůstu propustného proudu di T /dt. 176 Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky

7 Zkrácení vypínací doby lze dosáhnout konstrukčními úpravami, zejména zkrácením doby života nosičů a optimalizací sítě mikrosvodů. Jejich použitelnost je omezena na jednotky khz Středofrekvenční tyristor (též frekvenční tyristor) Základní požadavky na středofrekvenčních tyristor jsou tytéž jako u rychlého tyristoru, navíc tento rozsah pracovních kmitočtů do asi 10 khz bez významného poklesu proudové zatížitelnosti. Zde je problém ve snížení zapínacích a vypínacích ztrát (které při vyšších kmitočtech vedou k nepřípustnému vzrůstu teploty). Řešení je ve složitém tvaru řídicí elektrody, aby se zabezpečila maximální velikost prvotně sepnuté plochy tyristoru. V prvních okamžicích po přiložení řídicího signálu se totiž vytvoří lokální sepnutá oblast v těsné blízkosti řídicí elektrody. Tato sepnutá oblast se v dalším průběhu zapínacího procesu postupně rozšiřuje určitou Obr Konstrukce výkonových tyristorů: pouzdro s centrální maticí (vlevo) a tabletové pouzdro (vpravo rychlostí. Při vyšším kmitočtu potom prochází proud pouze menší částí tyristorové struktury a v této části je také vyšší proudová hustota, která je spojena s vyšším úbytkem napětí. Frekvenční tyristory jsou často konstruovány jako tyristory typu GATT. Další možností zvýšení pracovní frekvence je konstrukce asymetrických a zpětně propustných tyristorů Tyristor typu GATT Základní požadavky na parametry: oproti středofrekvenčnímu tyristoru zvýšení rozsahu pracovních kmitočtů na 15 až 20 khz a zkrácení vypínací doby. Ke zkrácení vypínací doby se využívá pomocného záporného řídicího signálu, přivedeného na řídicí elektrodu v průběhu vypínání komutací napětí v hlavním obvodu. Proto zkratka GATT (Gate-Assisted Turn-off Thyristor) Vypínací tyristor (GTO) Základní požadavky na vypínací tyristor jsou: možnost přímého sepnutí i vypnutí součástky řídicím signálem, vysoká hodnota maximálního vypínatelného proudu a vysoké vypínací zesílení. Zatímco u tyristoru GATT odvádí záporný řídicí signál pouze zbytkové náboje na konci vypínacího procesu, je při vypínání tyristoru GTO (Gate Turn- Off thyristor) nutno odvést ze struktury daleko vyšší náboj. Schopnost GTO účinně vypínat propustný proud je proto podmíněna rozčleněním katody na úzké pásky (o šířce asi 300 µm) obklopené řídicí elektrodou. Pojem integrované struktury je již zřejmý. Výkonová součástka vzniká paralelním spojením několika set elementárních tyristorů GTO v jedné monokrystalické destičce Asymetrický tyristor Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky 177

8 Vhodnou změnou koncentrace jednotlivých vrstev můžeme získat strukturu se stlačeným polem v blokovacím režimu. Úprava umožňuje při zachování max. blokovacího napětí zúžit vrstvu N 1 a tudíž dosažení kratší vypínací doby t q (např. redukcí doby života) při stejných propustných vlastnostech na úkor snížení závěrného napětí U RRM. Takto konstruované tyristory se nazývají asymetrické (protože u nich U RRM < U DRM oproti zpětně závěrným tyristorům U RRM = U DRM ). Asymetrické tyristory je možno používat v obvodech, ve kterých lze závěrné vlastnosti realizovat pomocí sériové Obr Řez tyristorem GATT (vlevo) a tyristorem GTO (vpravo diody, nebo kde je možno v obvodu invertorového typu používat kombinace tyristoru s antiparalelní diodou Zpětně propustný tyristor (RCT) Jde o asymetrický tyristor s antiparalelní diodou integrovanou v jedné monokrystalické destičce. Nemá závěrné vlastnosti - v závěrném směru vede rychlá dioda s krátkou dobou zotavení. Užívá se zkratka RCT (Reverse Conducting Thyristor). V průběhu procesu vypínání této struktury nedochází při komutaci hlavního proudu tyristoru k závěrnému zotavení struktury (poklesu zpětného proudu), ale proud prochází antiparalelní diodovou částí. Po dobu průchodu zpětného proudu je tyristorová část struktury závěrně polarizována, závěrné napětí na tyristorové oblasti odpovídá propustnému napětí na diodě. K nárůstu blokovacího napětí na tyristoru dochází v okamžiku zpětného zotavení diodové části struktury. Obr.7.11.: Řez zpětně propustným tyristorem Zpětně propustné tyristory se uplatňují v tyristorových spínačích a střídačích. Umístění tyristoru i diody do jednoho pouzdra umožňuje zmenšení celkového objemu a hmotnosti zařízení ve všech typech obvodů, ve kterých se používá antiparalelní kombinace tyristoru s diodou. Jsou proto známy zpětně propustné tyristory GATT i zpětně propustné vypínací tyristory Tyristory řízené světlem (fototyristory a optotyristory) Tyristory řízené (spínané) světlem, zkratkou LTT (Light-Triggered Thyristor), mají stejnou strukturu jako tyristory spínané elektrickým signálem. Musí mít samozřejmě zajištěný přístup světla do oblasti P 2. Potřebný světelný výkon je řádu 10 mw. Součástky, které obsahují zdroj světla v pouzdře, nazýváme optotyristory. Ty, které nemají zdroj světla v pouzdře, nazýváme fototyristory. U optotyristoru je nevýhodou menší dovolené oteplení. Princip spínání tyristoru byl již vyložen. Pokud je u fototyristoru vyvedena řídicí elektroda, lze ji použít k přizpůsobení daným provozním podmínkám (citlivost na dopadající záření - obvykle rezistorem R GK ). Hlavní použití fototyristorů a optotyristorů je ke galvanickému oddělení výkonové a řídicí části. Vedle použití výkonových fototyristorů je časté použití pomocného fototyristoru nebo optotyristoru Polem řízené tyristory Polem řízené tyristory byly již vzpomínány. Předpokládá se jejich použití ve středofrekvenční oblasti. Jsou technologicky ještě náročnější než tyristory GTO. Důsledkem velmi náročné technologie je vysoká cena. 7.4 Triak Triak je jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor (pětivrstvý triodový tyristor). Název pochází od firemního názvu fy General Electric TRIAC (TRIode AC semiconductor switch); v češtině se ujal název triak. Vývoj 178 Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky

9 a) b) c) d) Obr Pětivrstvá struktura: a) princip, b) rozdělení na tyristorovou a diodovou strukturu, c) princip zkratování krajních přechodů PN, d) reálná struktura triaku NPNPN s přídavnou vrstvou N G triaku byl motivován snahou nahradit nahradit antiparalelní zapojení dvou tyristorů jediným prvkem s cílem zmenšit počet součástek silového řídicího obvodu). Oproti dvěma diskrétním antiparalelním tyristorům se však u triaku uplatňují některé nové jevy: - spínání záporným řídicím signálem (je zajištěno spojením části plochy řídicí elektrody s pomocným emitorem N + ), - řízení vzdálené báze, kdy je spínán tyristor 2, jehož emitor N + a přilehlá báze P jsou umístěny na opačné straně destičky než řídicí elektroda, - vzájemné ovlivnění obou dílčích tyristorových struktur při komutaci v hlavním obvodu. Triaky jsou pětivrstvé součástky NPNPN (dále mají ještě šestou vrstvu, přes níž je vyvedena řídicí elektroda). Teoreticky by struktura triaku mohla být stejně dobře PNPNP, ale z technologických důvodů se tato struktura nepoužívá. Činnost pětivrstvé struktury NPNPN pro obojí polaritu lze znázornit vždy sériovým zapojením příslušné čtyřvrstvé struktury PNPN a přechodu PN polarizovaného v závěrném směru (obr. 7.12b). Odtud je zřejmé, že vždy jeden krajní přechod PN je polarizován v závěrném směru (dioda D), kdežto druhý krajní přechod je součástí čtyřvrstvé struktury a je zapojen v propustném směru. Je tedy vidět, že pětivrstvá struktura může působit jako čtyřvrstvá pro obojí polaritu přiloženého napětí. Usměrňující jeden krajní přechod PN by byl však přitom nevýhodný, protože by na něm vznikal velký úbytek napětí, takže by byl značně tepelně namáhán. Proto se oba krajní přechody (P 1 N 1 a P 2 N 2 ) vytvářejí tak, aby jejich odpor v závěrném stavu byl minimální. Toho se dosahuje tím, že se krajní přechody vytvoří jako zkratované přívodní elektrodou. Na obr. 7.12f je uvedena struktura triaku s řídicí elektrodou s pomocnou vrstvou N G. Triak může spínat střídavý proud procházející mezi hlavními elektrodami A 1 a A 2 a řídí se proudem libovolné polarity mezi elektrodou a řídicí elektrodou (hradlem G). Je-li elektroda A 2 kladná vzhledem k elektrodě A 1, je přechod P 2 N 2 polarizován v závěrném směru, takže proud z elektrody A 2 vychází z místa zkratovaného přechodu P 2 N 2. V tomto případě je možno tento triak zapnout buď kladným napětím přivedeným na řídicí elektrodu nebo záporným napětím. Přivedením kladného napětí na řídicí elektrodu G působí pětivrstvá struktura jako tyristor P 2 N 0 P 1 N 1 řízený proudem do vrstvy P 1. Přechod J 4 je polarizován v závěrném směru a je tedy z činnosti vyřazen. Při záporném napětí na řídicí elektrodě G vzhledem k anodě A 1 působí přechod J 5 jako řídící přechod pomocného tyristoru P 2 N 0 P 1 N G řízeného kladným napětím z elektrody A 1 vzhledem k elektrodě G. Pomocný tyristor má střední přechod J 2 společný s tyristorem P 2 N 0 P 1 N 1, takže při sepnutí pomocného tyristoru sepne i hlavní tyristor a proud I může procházet od elektrody A 2 k elektrodě A 1. Oba výše uvedené způsoby se nazývají řízení do blízké báze (P 1 ). Při opačné polaritě hlavních elektrod (tj. elektroda A 1 kladná, elektroda A 2 záporná), lze opět pětivrstvou strukturu sepnout vložením napětí libovolné polarity na řídicí elektrodu G. Je-li tato polarita kladná vzhledem k elektrodě A 1, prochází řídicí proud od elektrody G vrstvou P 1 do vrstvy N 1 takže polarizuje přechod J 1 v propustném směru. Dílčí tranzistorovou strukturou N G P 1 N 1 prochází proud od N G kolektorovým přechodem J 5, Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky 179

10 vrstvou P 1, emitorovým přechodem J 1 do vrstvy N 1 Tranzistor N 1 P 1 N G se dostane do oblasti nasycení. Část proudu procházejícího tranzistorem N 1 P 1 N G pronikne propustně polarizovaným přechodem J 2 do báze N 0 tranzistoru P 1 N 0 P 2, který je součástí tyristorové pracovní struktury P 1 N 0 P 2 N 2, které proto sepne. Pětivrstvá struktura vede proud při vyřazení přechodu J 1. Při opačné polaritě řídicího napětí je průběh spínání stejný, jen vrstvy N 1 a N G si vymění funkce v pomocné tranzistorové struktuře N G P 1 N 1. V těchto dvou posledně popsaných způsobech řízení pětivrstvé struktury - triaku - mluvíme o řízení do vzdálené báze (N 0 ). Ve výše uvedených čtyřech možnostech spínání má tyristor různou citlivost. Obvykle se nedoporučuje spínání záporného hlavního napětí záporným proudem hradla. Pětivrstvý triak se vypíná podobně jako tyristor (triodový) poklesem proudu v sepnutém stavu pod hodnotu vratného proudu I H. Závažným problémem je komutace triaku. Vzhledem ke konstrukci, kdy obě dílčí tyristorové struktury nejsou od sebe prakticky vůbec odděleny, zůstává při vypnutí jedné části v bázích ještě určitý zbytkový náboj nerovnovážných nosičů. Při komutaci hlavního napětí tento náboj spolu s kapacitním proudem vznikajícím při nárůstu napětí na blokovacím přechodu působí jako řídící proud pro blokující tyristor a může způsobit jeho nežádoucí sepnutí. Velikost tohoto "řídicího" impulsu je úměrná velikosti propustného proudu, který tekl vypnutým tyristorem, strmosti di/dt, se kterou tento proud komutuje, a strmosti nárůstu napětí du/dt na blokovacím přechodu. Důsledkem je, že úroveň těchto parametrů je u triaku značně omezena oproti běžným tyristorům. K popsané situaci dochází při použití triaku v obvodech s induktivní zátěží. Proud zátěží je zpožděn za napájecím napětím a klesá na nulu v čase, kdy napájecí napětí dosáhlo určité velikosti v opačné polaritě. Triak vypíná při poklesu proudu pod I H (prakticky v nule) a mezi hlavními elektrodami narůstá se značnou strmostí napětí (strmost nárůstu závisí na kapacitě triaku a přívodů). Při kritické strmosti nárůstu dochází k sepnutí. Použití triaků v obvodech s induktivními prvky je proto relativně omezené. V obvodech vyžadujících vyšší dynamické parametry a v náročných průmyslových aplikacích se stále používají dva antiparalelně zapojené tyristory. Triaky se používají zejména v malo-výkonových obvodech spotřební elektroniky (různé regulátory výkonu). Obr Ampérvoltová charakteristika triaku Obr Triak jako výsledek integrace dvou antiparalelních tyristorových struktur 7.5 Diak (spínací třívrstvá dioda) Spínací třívrstvá dioda je vlastně symetrický lavinový tranzistor. Název diak vznikl z firemního názvu fy General Electric (DIAC). Přivedeme-li na diak vnější napětí (bez přihlédnutí k polaritě), pak je jeden z přechodů PN polarizován v přímém směru a druhý ve směru závěrném. Jakmile však přiložené napětí dosáhne hodnoty U (BO), minoritní nosiče injektované z přechodu PN polarizovaného v přímém směru dosáhnou ochuzenou oblast přechodu PN, který je polarizován v závěrném směru, a vyvolají zde lavinové násobení nosičů. Prudce vzroste procházející proud a napětí na diaku poklesne. 180 Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky

11 Diak se vyznačuje symetrickou AV charakteristickou s oblastí záporného diferenciálního odporu, ale s dosti značným úbytkem napětí v propustném směru. Diaky se používají k ochraně při přepětí (např. vstupů tranzistorů MOS) a pro řídicí obvody tyristorů a triaků, přičemž řídicí obvody vycházejí velmi jednoduché a plně vyhovující pro jednodušší aplikace. Poznámka: Ve starší literatuře je možné se pod názvem diak setkat s pětivrstvou strukturou (obousměrným diodovým tyristorem). Užívaly se v počátcích tyristorové techniky (1960 až 1965), byly vytlačeny třívrstvými strukturami a název diak přešel na ně. Je zajímavé, že ČSN se drží pětivrstvého diaku a pro třívrstvý diak jednoslovný název neuvádí. Obr Ampérvoltová charakteristika a schématická značka diaku 7.6 Aplikace tyristorů Aplikace tyristorů v obvodech střídavého proudu využívají obvykle fázového řízení (obr. 7.16), méně často časového řízení (po určitý počet period je sepnuto nebo vypnuto). Obr až 7.20 uvádí různé možnosti spínání stžídavého napětí tyristorem nebo triakem. Pro spínání Obr Princip fázového řízení stejnosměrného napětí musí být tyristor doplněn vypínacím obvodem s pomocným tyristorem nebo ranzistorem (obr. 7.21). Princip použití tyristorů ukážeme na příkladu stmívače světla podle obr Přes potenciometr P se nabíjí kondenzátor C o kapacitě 1 µf. Až se kondenzátor nabije na spínací napětí tyristoru, tyristor sepne a kondenzátor se přes něj vybije. V nové půlvlně anodového napětí se celý pochod opakuje. Nevýhodou je, že se Obr Spínání střídavého napětí jedním tyristorem tyristor otevírá již při 130 až 140 kladné půlperiody anodového napětí (obr. 7.24d). To se projevuje jako skokové počáteční rozsvícení žárovky (obr. 7.23b); znamená to, že nemůžeme regulovat průběh rozsvícení od nuly. Téměř úplného odstranění tohoto světelného skoku lze dosáhnout vhodnou volbou kapacity C. Zvětší-li se kapacita C na 10 µf bude na tyristoru průběh napětí podle obr. 7.24b. To znamená, že během Obr Spínání střídavého napětí dvěma tyristory první půlperiody anodového napětí se kondenzátor nestačí nabít na potřebné spínací napětí. Teprve při druhé půlperiodě se kondenzátor dobije na patřičné napětí a tyristor povede. Tím se docílí plynulé regulace od nuly. Další zvýšení kapacity kondenzátoru (např. 20 µf - obr. 7.24c) se může projevit Obr Spínání střídavého napětí triakem znatelným blikáním žárovky. Poznámka: Zapojení dle obr by v praxi muselo být doplněno filtrem, který omezí průnik rušivých impulzů vzniklých při spínání tyristoru do sítě. Obr Spínání střídavého napětí jedním tyristorem Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky 181

12 Obr Pro spínání stejnosměrného napětí musí být tyristor doplněn vypínacím obvodem Obr Zapojení stmívače světla Obr Napětí a proudy na žárovce: a) žárovka nesvítí; b) napětí a proud žárovky při úhlu otevření tyristoru 40 až 50 ; c) napětí a proud žárovky při velkém úhlu otevření Obr Průběh napětí a proudu na tyristoru: a) napětí na tyristoru (žárovka nesvítí); b) napětí na tyristoru (C = 10 µf, žárovkou teče proud - čárkovaná část); c) napětí na tyristoru (C = 20 µf); d) napětí a proud tyristoru (C = 1 µf nebo přechod skokem z průběhu b); e) tyristor otevřen po dobu θ Obr Průběhy: a) napětí na kondenzátoru C, žárovka nesvítí; b) napětí na kondenzátoru C, žárovka plně svítí; c) zbytkové napětí na tyristoru 182 Kap. 7. Vícevrstvé spínací součástky