Tyristor. Tyristor. Tyristor. 1956: Bell Labs Silicon Controlled Rectifier (SCR) 1958: General Electric Thyristor. Výkonové polovodičové součástky

Transkript

1 (kv) Výkonové polovodičové součástky VELÝ VÝ SDÉ ŘÍZEÍ VYSOÁ FREVEE 1 1 Thyristor TO BJT MOS f (khz) (kv) Thyristor BJT TO (kv) IBT MOS TO f (khz) Thyristor IBT MOS Si f (khz) TO = ate TurnOff thyristor IBT = Insulated ate Bipolar Transistor 1 Tyristor Tyristor 195: Bell Labs Silicon ontrolled Rectifier (SR) 1958: eneral Electric Thyristor Tyristor noda J1 nodový přechod = Závěrný přechod J J3 Blokovací přechod atodový přechod 3 ate (řídicí elektroda) atoda

2 Tyristor Tyristor noda ate (řídicí elektroda) J1 J J3 emitor báze báze emitor atoda 5 DOTČÍ ROFIL J1 oncentrace příměsí J J3 x Tyristor režimy činnosti Tyristor závěrný směr I (μ) 8 U RRM Závěrný směr I () U 8 Sepnutý stav stav = 1μ = 1m U b) 7 nodový (závěrný) přechod J1 polarizován v závěrném směru bariéra pro el. a díry protéká závěrný o až do průrazného napětí U RRM U R b) závěrný směr I (μ) 8 U RRM (μ ) U 8 83 W

3 Tyristor závěrný směr Tyristor spínání V závěrném směru se k tyristoru chováme jako k diodě: Mezní parametr: U RRM max. špičkové závěrnéopakovatelnénapětí I (μ) 8 U RRM Tyristor je čistě spínací součástka! Buď je sepnuto, nebo rozepnuto. racovní bod v sepnutém stavu nelze ovládat. R U b) závěrný směr (μ ) U 8 93 W Způsoby sepnutí: roudovým impulsem ( ) Impulsem optického záření (světla) řekročením blokovacího napětí řekročením hodnoty dc /dt nebo d /dt 1 Tyristor spínání Tyristor mám největší proudovou zatížitelnost itelnost ROWBR ROTETI. Výjimečnost tyristoru: o sepnutí zůstává v sepnutém stavu i po odeznění spínacího impulsu ( pokud anodový obvod dovolí protékání proudu). To tranzistory neumí! ETHERET SYSTEM V sepnutém stavu vykazuje nejnižší odpor ze všech existujících spínacích polovodičových součástek! Tyristor mám největší proudovou zatížitelnost. 11 1

4 Tyristor mám největší proudovou zatížitelnost itelnost ROWBR ROTETI. Tyristor blokovací režim a anodě plus, na katodě minus, =: Blokovací přechod J v závěrném směru J BLOUJE průchod nositelů náboje neteče proud. I () 8 13 < c) blokovací režim U 3 U BO J W Tyristor blokovací režim U = : árazová ionizace na přechodu J generuje elektrony a díry. Elektrony přitahovány na anodu, díry na katodu. Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) Tyristor blokovací režim Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje injekce děr z anody Díry poruší neutralitu prostorového náboje u katody injekce elektronů z katody (kompenzace záporným nábojem) < = BO c) blokovací režim W < = BO c) blokovací režim W

5 Tyristor blokovací režim Injekce elektronů z katody a děr z anody se vzájemně stimuluje uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby zaplavení blokovacího přechodu volnými nositeli náboje Tyristor blokovací režim Injekce elektronů z katody a děr z anody se vzájemně stimuluje uzavření kladné zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje sepnutí tyristoru zaplavení tyristoru elektrony a děrami sepnutí tyristoru pokles odporu mezi anodou a katodou na minimum < = BO c) blokovací režim W I () 8 Sepnutý stav = U 18 Tyristor blokovací napětí BLOOVÍ ĚTÍ je anodové napětí U při kterém tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při =. = BreakOver voltage ěkdy též nazýváno U DRM Typické hodnoty jsou stovky až tisíce V. 8 Tyristor blokovací napětí BLOOVÍ ĚTÍ je anodové napětí U, při kterém tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při =. Tento způsob sepnutí je nežádoucí (nelze rozumně ovládat). 8 I () = U 19 U I () =

6 8 Tyristor blokovací napětí ro > sepne tyristor i při nižším napětí než. Sepnutí tyristoru proudem I g Hlavní obvod zajišťuje plus na anodě, minus na katodě. řechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem I g tekoucím z ate do atody injekce elektronů do báze. I () Sepnutý stav = 1μ = U 1 Hlavní obvod d) sepnutý stav Řídicí obvod I g U g 8 3 W Sepnutí tyristoru proudem I g řechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem I g tekoucím z ate do atody injekce elektronů do báze. Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) Sepnutí tyristoru proudem I g Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) Díry z anody projdou ke katodě a vyvolají zde injekci elektronů uzavření kladné zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje sepnutí Hlavní obvod Řídicí obvod Hlavní obvod Řídicí obvod d) sepnutý stav I g U g W 83 3 d) sepnutý stav I g U g W 8 3

7 Sepnutí tyristoru proudem I g uzavření kladné zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje = sepnutí tyristoru (latchup) Rozložení koncentrace n=p je shodné jako u diody I (báze, báze a J zaplaveny) obrovská vodivost U F je typicky 1.7 V.7V.V.8V Sepnutí tyristoru proudem I g Tento způsob sepnutí je žádoucí (nejdůležitější z možných) Tyristor lze spolehlivě sepnout malým proudem ze zdroje napětí nízké hodnoty. n = p d) sepnutý stav I g U g 5 x d) sepnutý stav I g U g Tyristor zůstává sepnut i po skončení spínacího impulsu do ate. ladná zpětná vazba je trvale udržována anodovým proudem I. vypnutí tyristoru je možné jen odstraněním I. d) sepnutý stav Sepnutí tyristoru proudem I g I g U g I () 8 Sepnutý stav = = 1μ U n = p 7 x ozor! Tyristor zůstane trvale sepnut jen pro I >I L, který udrží kladnou zpětnou vazbu. je minimální hodnota proudu I, při níž zůstává tyristor v sepnutém stavu i po zániku řídicího proudu I g bezprostředně po přechodu z blokovacího stavu. I L I () I L = přídržný proud = Latching current 8 Sepnutý stav = 1μ = U 8

8 hcemeli tyristor vypnout, musí I klesnout pod I H, kdy dojde k odstranění kladné zpětné vazby. I H = vratný proud = Holding current Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky: 1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí yklové řízení výkonu je minimální hodnota proudu I potřebná k udržení tyristoru v sepnutém stavu. 8 U z U U I L I () I H Sepnutý stav = 1μ = U 9 Burst U U 3 Vypnutí tyristoru Fázové řízení výkonu Vnějšími prostředky: 1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí yklové řízení výkonu Fázové řízení výkonu zátěž Uz R g D U z U U z U α F U z U α D 1 R1: pro R g = chrání přechod (I FV ) D1: ochrana přechodu (U BR ) D: aby R g nemělo vliv na nabíjení zápornou půlvlnou : tyristor sepne po nabití na U c = U D1 U =.7.8 =1.5 V Burst 31 haseangle R g : nastavuje časovou konstantu R g 3

9 Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí a) U U komutace = obrácení polarity anodového napětí (obdoba závěrného zotavení diody) Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí a) U c) I T () U T I RM I TM U t rr b) U SS t q Ty Ty3 Ty1 Ty Ty5 zátěž t (μs) U T du/dt 33 t (μs) 3 Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí a) U c) I T () I TM U b) U SS Ty Ty3 Ty1 Ty Ty5 zátěž Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí U T I RM t rr t q t (μs) U T du/dt t (μs) 35 3

10 Vypnutí tyristoru Samotným tyristorem vypínací tyristor TO (ate TurnOff) Sepnutí kladným proudem Vypnutí záporným proudem Volba tyristoru mezní a char. parametry Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů U RRM,, I FV danými zatížením tyr. U z říklad: zvolte tyristor pro = V, z = 1W 1 kw U RRM není podstatné (jen propustný směr) UT I FV a) b) zátěž c) > V =V TE R TOD R TE U ss TO sepnutí TO S R U F V sepnutém stavu bude: U z = U T = 1.7 V I FV = z / = 1 / =.5 I OD TODOVÉ SEMETY TE RD ochrana vypnutí TO S L 37 U R I FV =.5, = V, U RRM nehraje roli 38 Volba tyristoru mezní a char. parametry Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů U RRM,, I FV danými zatížením tyr. Sepnutí tyristoru impulsem optického záření roud nahradíme zářením dopadajícím na přechod J3 () U z říklad: zvolte tyristor pro ef = 3V ~, z = 1W I FV W g U RRM > 3 = 35 V > 35 V 1 kw UT =3V ef bsorpce záření na J3 způsobí vznik fotoproudu, který působí jako Tyristorem teče proud jen jednu půlvlnu sinusového průběhu (:) I FV I Fef = I zef ( z / ef ) / = (1 / 3) /. I FV =., = 35 V, U RRM = 35 V záření přivádíme do tyristoru světlovodem galvanické oddělení řechod J3 (gatekatoda) má průrazné napětí do 5V! je nutné jej chránit proti průrazu ochrannou diodou! 39 Light Triggered Thyristor LTT pro napětí U RRM = 7 1 kv

11 Light Triggered Thyristor LTT 5 kv dc LTT HVD link Back to back link LTT 1 OTOTRI (Dvojitý optotyristor) Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dc /dt (d /dt) Strmý nárůst blokovacího napětí rychlé rozšíření vznik kapacitního proudu vyklízením volných nosičů z uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje SEUTÍ TYRISTORU při U «8 3 3 < c) blokovací režim W 8 3

12 Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dc /dt (d /dt) < c) blokovací režim je nežádoucí způsob sepnutí ekontrolovatelné! U velkoplošných tyristorů může způsobit lokální proudové přetížení! (tyristor sepne jen u řídicí elektrody a než se anodový proud rozšíří laterálně po celé ploše, lokální proudové přetížení roztaví křemík) W Tyristor shrnutí Tyristor spínáme proudovým impulsem ( ) nebo impulsem optického záření (infračervené záření nebo světlo). Tyristor zůstává sepnutý i po odeznění spínacího impulsu, protékáli anodový proud větší než přídržný proud I L. Tyristor je sepnutý, dokud jím protéká anodový proud větší než vratný proud I H. Tyristor vypínáme poklesem anodového proudu pod I H ( obvody), komutací anodového napětí (= obvody), záporným impulsem do gate (jen TO tyristor)