TYRISTORY Spínací součástky pro oblast největších napětí a nejvyšších proudů Nejčastěji triodový tyristor
Závěrný směr (- na A) – stav s vysokou impedancí, UR, IR
parametr URRM
Přímý směr (+ na A) – dva stavy • stav s vysokou impedancí – blokovací – UD, ID
parametr UDRM
po překročení napětí UDBO nebo přiložení řídicího signálu
• stav s nízkou impedancí – propustný stav – UT, IT
V-A charakteristika UT=f(IT) typový proud ITAV
ZÁVĚRNÝ A BLOKOVACÍ STAV TYRISTORU Mechanismy průrazu Lavinový průraz přechodu nastává při překročení kritického elektrického pole EBR na závěrně polarizovaném přechodu
U BR =
2 ε r ε 0 E BR
2eN D1
Stykový průraz, který nastává, jestliže pro určité napětí Upt (Upt < UBR) dojde k rozšíření oblasti prostorového náboje přechodu J1 až k přechodu J2
U PT
eN D1 wN2 = 2ε r ε 0
Při dané tloušťce wN lze dosáhnout maximálního průrazného napětí je-li UPT = UBR, tj. pro
U R(BR)
~ γp = U BR 1 − wR cosh L p
1
κ
ND =
ε r ε 0 E BR ewN
wR = wN - d
Pro dosažení vysokého UR(BR) je nutná vhodná úprava geometrie povrchové oblasti (zkosení)
SPÍNÁNÍ TYRISTORU
Pro jednoduché modelování procesu přechodu tranzistoru z blokovacího do propustného stavu se používá tzv. dvoutranzistorová analogie α1(UD;J;T) - činitel h21B tranzistoru PNP α2(UD;J;T) - činitel h21B tranzistoru NPN
Pro IG = 0
I A = I K = I E1 = I E2 = I C1 + I C2
I C1 = M (α 1 I E1 + I C01 )
K sepnutí dojde při
M (α 1 + α 2 ) = 1
I C2 = M (α 2 I E2 + I C02 )
MI C0 1- M (α 1 + α 2 )
obvykle při UD(BO) blízkém URBR
IG > 0, dochází k sepnutí při nižších napětích (M = 1) K sepnutí dochází při proudu IG = IGT
}⇒
IA =
IA =
α 2 I G + I C0 1 − (α 1 + α 2 )
I G = I GT ⇔ α 1 + α 2 = 1
Pokud anodový proud přesáhne hodnotu přídržného proudu IL, dílčí tranzistory do stavu saturace a tyristor zůstává v sepnutém stavu i po odstranění řídicího signálu
Proudové zesilovací koeficienty rostou s teplotou ⇒ UD(BO) s rostoucí teplotou klesá
Pro zajištění tepelné stability jsou vytvořeny mikrosvody na přechodu N2P2 – odpor RSH
Připojením paralelního odporu se sníží proudový zesilovací činitel z hodnoty α2 na α2eff
α 2 eff =
α2 1+
I SH I J3
KRITICKÁ STRMOST NÁRŮSTU BLOKOVACÍHO NAPĚTÍ Kritická hodnota nárůstu blokovacího napětí (dUD/dt)crit je maximální hodnota strmosti nárůstu blokovacího napětí, při které ještě nedojde k sepnutí tyristoru při rozpojeném obvodu řídící elektrody. Se změnou blokovacího napětí je spojen kapacitní proud
Jq =
d (C jU D ) = C j + U D dC j dU D dt dU D dt
působí stejně jako kladný řídící signál Ke splnění podmínky sepnutí dojde při při hustotě posuvného proudu
r22 F= 4
J crit ≥
r12 1 − 2 r2
2wPU E ρr22 F
r 1 − 2 ln 1 r2
parametry
IGT, UGT IGD, UGD
(1) krajní a mezní chrakteristiky (2) mezní ztrátový výkon (3) zatěžovací charakteristika oblast možných zapínacích proudů a napětí
PROPUSTNÝ STAV TYRISTORU Propustná V-A charakteristika - UT = f(IT) K přechodu tyristoru do propustného stavu je nutná alespoň lokálně vysoká injekce nerovnovážných nosičů v oblasti přechodu J2 Tyristory se při hustotách proudu větších než 0,1 A/mm2 chovají jako struktura PIN, podobně jako výkonová dioda,
U T = K1 ln
JT m + K 2 JT J 0H
w K 2 ~ exp 2L
Při menších proudech je sepnutá taková část plochy tyristoru, kterou protéká proud o hustotě JM, která je potřebná k udržení dílčích tranzistorových struktur ve stavu saturace
DYNAMICKÉ PROCESY PŘI ZAPÍNÁNÍ TYRISTORŮ L
R
IT
U0
UD
Při přiložení kladného řídícího signálu IG dochází po určité době zpoždění td k poklesu blokovacího napětí 2 td
Q (t d ) = ∫ I G (t )dt ≥ QGT 0
Z rovnice kontinuity Pro t > td napětí klesá, proud v obvodu roste
wN wP2 td > + 2 Dp 2 Dn
IG t d = τ ln I G − I GT
diT/dt závisí na indukčnosti obvodu zapínací doba tyristoru
tgt = td + t f
Vytvořená sepnutá oblast je lokální - část katodové oblasti přiléhající ke kontaktu řídicí elektrody V sepnuté oblasti vysoká koncentrace nosičů ∆n, vlivem gradientu nosičů dochází k laterální difúzi a rozšiřování sepnuté oblasti rychlostí
v s = A ln J + B Plocha sepnuté oblasti se s nárůstem proudu rozšiřuje, při poklesu propustného proudu se naopak zužuje
KRITICKÁ STRMOST NÁRŮSTU PROPUSTNÉHO PROUDU V počáteční fázi sepnutí tyristoru se vytvoří lokální prvotně sepnutá oblast, která se rozšiřuje rychlostí vs. Ztrátovou energii vztaženou na jednotku objemu sepnuté oblasti bezprostředně po sepnutí tyristoru lze vyjádřit 1
WV =
t
S 0 w ∫0
P(t )
S0 dt S (t )
Při překročení určité kritické hodnoty strmosti nárůstu propustného proudu (dIT/dt)crit dochází k destrukci tyristorové struktury Je třeba zvětšit velikost prvotně sepnuté plochy S0. velkým, strmým řídícím signálem
DYNAMICKÉ PROCESY PŘI VYPÍNÁNÍ TYRISTORU V propustném stavu je relativně vysoká koncentrace nerovnovážných nosičů (elektron-děrová plasma), která odpovídá saturaci dílčích tranzistorových struktur
K obnovení blokovacích vlastností tyristoru je nezbytné, aby se na blokovacím přechodu se vytvořila oblast prostorového náboje, tj. musí být přerušena injekce alespoň z jednoho emitoru 1. Vypnutí pomocí komutace obvodu 2. Vypnutí poklesem propustného proudu pod hodnotu vratného proudu 3. Vypnutí záporným řídícím signálem
VYPÍNÁNÍ TYRISTORU POMOCÍ KOMUTACE OBVODU Krátkodobé připojení zdroje napětí opačné polarity, jehož vlivem dojde ke komutaci směru proudu tyristorem V okamžiku ts se vytvoří na přechodu J1 oblast prostorového náboje a ve vnitřních vrstvách N1 a P2 zbývá náboj Q1 = Q(ts) ≤ ITτ – Qrr. který musí klesnout pod Qcr
t − ts Q(t ) = Q1 exp − τ eff
t q = t s + τ eff
Q1 Q1 ln ≈ τ eff ln Qcr Qcr
Komutace je v reálných obvodech realizována obvykle připojením opačně polarizovaného kondenzátoru sepnutím pomocného tyristoru
VYPÍNÁNÍ POKLESEM HLAVNÍHO PROUDU V sepnutém stavu dílčí transistorové struktury v saturaci, k udržení tohoto stavu je třeba IT > IH
Minimální proudová hustota potřebná k udržení elektron-děrové plasmy je řádově 1 A/cm2
Procesy rozšiřování a zužování sepnuté plochy
Velikost vratného proudu závisí na rychlosti poklesu proudu
∂α 1 ∂α 2 + <0 ∂ JT ∂ JT
VYPÍNÁNÍ TYRISTORU ŘÍDÍCÍM SIGNÁLEM - TYRISTORY GTO, GCT a IGCT Po přiložení záporného řídícího signálu je omezena injekce elektronů z oblasti emitoru N+ přiléhající ke kontaktu řídící elektrody a zároveň jsou extrahovány díry z oblasti vrstvy P2 V dvoutranzistorové analogii
I A = I A α 1 + I Kα 2 = I A α 1 + ( I A − I G )α 2
I A = 0 ⇔ I G = − I GQ GoffM =
IT α2 = I GQ α 1 + α 2 − 1
NPT
Maximální dosažitelný záporný řídící proud –IGM je limitován maximálním dosažitelným napětím UG(BR) přechodu N+P2 a příčným odporem vrstvy P2.
ITGQM =
4GoffMU G(BR) RG
=
4α 2U G(BR)
(α1 + α 2 − 1)RG
PT
Vypínací proces GTO Blokovací schopnosti se začnou obnovovat v čase tgs. V jednorozměrném přiblížení při konstantním proudu –IG je třeba odstranit náboj nerovnovážných nosičů nahromaděný ve vrstvě P2. Je-li S plocha katodového segmentu, pak náboj ve vrstvě P2 může být vyjádřen pomocí tloušťky vrstvy wP a střední koncentrace nosičů ve vrstvě nav
QP = I G tgs = ewP nav S
nav = tgs =
Qon I Aτ H = e(wP + wN )S e(wP + wN )S
QP I wP wP =τH A = τ H Goff (wP + wN ) IG I G (wP + wN )
Vypínací doba tgq je součtem tgs a doby poklesu tgf
Základní strukturou tyristoru GTO je struktura s emitorem N+ ve tvaru tenkého proužku, obklopeného kontaktem řídící elektrody
Výkonová součástka vzniká paralelním spojením několika set takových elementárních GTO v jedné monokrystalické destičce. Maximální vypínatelný proud ITGQM závisí na počtu segmentů Ns
I TGQM ∝ N s Velmi důležité je současné zapnutí a vypnutí všech dílčích tyristorových oblastí řídícím impulsem.
Pokud doba života nosičů není stejná ve všech segmentech, rozdíl v době přesahu
∆t gs = ∆τ H
IA wP I G wP + wN
Proud se koncentruje do segmentu, který vypíná poslední
Maximum
120
Minimum
carrier lifetime (
s)
100 80 60 40 20 0 0
1
2
3
irradiation dose (10-12cm -2)
4
Zásadní řešení bylo nalezeno v optimalizaci vypínacího řídicího impulsu.
∆t gs = ∆τ H
IA wP I G wP + wN
K výraznému zkrácení rozptylu doby přesahu ∆tgs dojde při IG > IA GCT (Gate Commutated Thyristor) Dosažení extrémně vysokého diG/dt vyžaduje speciálně konstruovaný zdroj řídicích impulsů spojený bezindukčně (prakticky integrovaný) s výkonovým GCT Pro kombinaci GCT se zdrojem řídicích impulsů je používáno označení IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor).
