Spis treści:
- 1 Tyrystory – jednokierunkowe zawory elektryczne
- 2 Tyrystory - zarys ogólny
- 3 Czym jest tyrystor?
- 4 Zastosowania tyrystorów
- 5 Pojawienie się tyrystorów w elektronice
- 6 Jak działa tyrystor – schemat zastępczy
- 7 Symbol tyrystora na schematach elektrycznych
- 8 Struktura półprzewodnikowa tyrystora SCR
- 9 Tyrystory GTO
- 10 Struktura półprzewodnikowa tyrystorów GTO
- 11 Zasada działania tyrystora GTO
- 12 Parametry techniczne tyrystorów
Elementy i przyrządy półprzewodnikowe są niezbędne przy tworzeniu zarówno układów elektronicznych małej mocy, jak i tych, w których mamy do czynienia z dużymi prądami. Poznaj tyrystory!
Tyrystory – jednokierunkowe zawory elektryczne
W tym artykule przyjrzymy się tyrystorom, czyli przyrządom półprzewodnikowym, które pełnią funkcję jednokierunkowych zaworów elektrycznych. Mają one zastosowanie przede wszystkim w obwodach zasilania, w których występuje wysokie napięcia – od kilkuset woltów do nawet dziesiątek kilowoltów.
Tyrystory - zarys ogólny
Tyrystory, oznaczane także jako SCR (ang. Silicon Controlled Rectifier), to elementy półprzewodnikowe, które są używane w wielu aplikacjach sterowania przepływem mocy elektrycznej, często tam, gdzie wartości prądów i napięć są stosunkowo wysokie. Tyrystory mogą być również stosowane w aplikacjach o mniejszej mocy, w tym w sterowaniu oświetleniem, a także jako zabezpieczenia układów zasilania.
Są proste w użyciu i tanie w zakupie, co czyni je idealną opcją do wielu obwodów. Historia tyrystorów sięga 1950 roku i została ona zainicjowana przez Williama Shockleya – jednego z wynalazców pierwszego prototypu tranzystora.
Chociaż badania nad przyrządami półprzewodnikowymi zostały podjęte przez innych inżynierów kilka lat później, dopiero na początku lat 60. XX wieku tyrystory stały się bardziej dostępne i popularniejsze w elektronicznych układach przełączających i zasilających.
Czym jest tyrystor?
Tyrystor można uznać za dość niezwykłą formę komponentu półprzewodnikowego, ponieważ składa się z czterech warstw różnie domieszkowanego krzemu, a nie z trzech warstw konwencjonalnych, tak jak ma to miejsce np. w przypadku tranzystorów bipolarnych. Podczas gdy konwencjonalne tranzystory bipolarne mogą mieć strukturę p-n-p lub n-p-n z elektrodami nazwanymi kolektorem, bazą i emiterem, tyrystor ma strukturę p-n-p-n z warstwami zewnętrznymi z ich elektrodami określanymi jako anoda (typ p) i katoda (typ n). Trzecie wyprowadzenie tyrystora to elektroda sterująca, tj. bramka, która jest połączona z warstwą typu p przylegającą do warstwy katodowej.
Tyrystory są zwykle wytwarzane z krzemu. To najlepszy wybór ze względu na jego ogólne właściwości fizyczne i elektryczne, ponieważ jest w stanie bez problemu wytrzymywać napięcia i prądy wymagane w aplikacjach o dużej mocy.
Dodatkowo ma dobre właściwości termiczne. Kolejnym ważnym powodem jest to, że technologia krzemowa jest ugruntowana i szeroko stosowana w różnych urządzeniach półprzewodnikowych. W rezultacie producenci półprzewodników mogą bardzo tanio i łatwo stosować swoje komponenty elektroniczne.
Zastosowania tyrystorów
Tyrystory są używane w wielu dziedzinach elektroniki. Niektóre z bardziej powszechnych zastosowań to m.in.:
- sterowanie zasilaniem odbiorników prądu zmiennego (w tym oświetlenie, silniki itp.);
- zabezpieczenia przeciwprzepięciowe do zasilaczy;
- prostowniki wyzwalane kątem fazowym (tzw. kątem zapłonu tyrystora);
- aparaty zapłonowe do silników benzynowych;
- fotograficzne lampy błyskowe, gdzie tyrystory działają jak elektroniczny przełącznik, który rozładowuje nagromadzone napięcie przez kondensator lampy błyskowej, a następnie odcina je w wymaganym czasie.
Pojawienie się tyrystorów w elektronice
Pomysł na tyrystor został po raz pierwszy opisany przez Williama Shockleya w 1950 roku. Określano go jako tranzystor bipolarny z kolektorem hakowym p-n. Mechanizm operacji został przeanalizowany w 1952 roku przez Jewella Jamesa Ebersa. Następnie w 1956 roku John Louis Moll zbadał mechanizm przełączania tyrystora. Pierwsze tyrystory stały się dostępne na początku lat 60. XX wieku, gdy popularność zyskiwały układy przełączania w systemach zasilania. Przedsiębiorstwo General Electric, które wprowadziło na rynek swoje urządzenia, używało na tyrystor określenia „prostownik sterowany krzemem” lub SCR, ponieważ przewodził on tylko w jednym kierunku i był sterowalny. Firma stosowała nazwę SCR jako znak towarowy dla swoich produktów.
Jak działa tyrystor – schemat zastępczy
Zasada działania tyrystora różni się od innych komponentów półprzewodnikowych. Zwykle przez tyrystor (od anody do katody) nie przepływa żaden prąd. Jeśli jednak na anodzie pojawi się odpowiednio wyższe napięcie względem katody i do bramki zostanie podany niewielki prąd sterujący, wówczas tyrystor się włączy i zacznie przewodzić. Co więcej, tyrystor pozostanie w stanie przewodzenia, dopóki zasilanie (przepływ prądu od anody do katody) nie zostanie usunięte. W uproszczeniu tyrystor można uznać za dwa tranzystory połączone ze sobą tak jak na rys. 1. Tranzystor z emiterem podłączonym do katody tyrystora jest tranzystorem n-p-n, natomiast drugi tranzystor z emiterem podłączonym do anody tyrystora jest tranzystorem p-n-p. Natomiast bramka jest połączona z bazą tranzystora NPN.
Gdy napięcie jest przyłożone do tyrystora, prąd nie płynie, ponieważ żaden z tranzystorów nie przewodzi. Jeśli jednak do bramki zostanie przyłożone napięcie, spowoduje to przepływ prądu w bazie, a to doprowadzi do włączenia tranzystora n-p-n. Gdy tranzystor n-p-n jest włączony, to ściąga bazę tranzystora p-n-p, powodując jego włączenie, a to z kolei przepycha prąd przez bazę tranzystora n-p-n, co oznacza, że tyrystor pozostanie włączony, nawet jeśli napięcie bramki zostanie usunięte.
Symbol tyrystora na schematach elektrycznych
Tyrystor SCR to urządzenie półprzewodnikowe, które ma wiele właściwości. Posiada trzy zaciski: anodę, katodę i bramkę, odzwierciedlające technologię zaworu termoelektrycznego lub lampy próżniowej w układzie triody. Bramka jest zaciskiem sterującym, podczas gdy główny prąd płynie między anodą a katodą. Jak można sobie wyobrazić na podstawie symbolu obwodu pokazanego na rys. 2, tyrystor jest zaworem jednokierunkowym, co dało początek nazwie GE prostownika sterowanego krzemem. Dlatego, gdy tyrystor jest używany z prądem przemiennym, będzie działać tylko przez maksymalnie połowę okresu składowej podstawowej (dla sieci elektroenergetycznej o częstotliwości 50 Hz będzie to 10 ms).
Podczas pracy tyrystor początkowo nie przewodzi prądu. Aby go wyzwolić, do bramki trzeba doprowadzić napięcie. Po uruchomieniu tyrystor pozostanie w stanie przewodzenia, dopóki napięcie na anodzie i katodzie nie zostanie usunięte – dzieje się to oczywiście pod koniec połowy cyklu, w którym tyrystor przewodzi. Kolejna połowa cyklu zostanie zablokowana w wyniku działania prostownika. Do ponownego uruchomienia tyrystora potrzebny będzie prąd w obwodzie bramki. W ten sposób tyrystor może być używany jako przełącznik elektroniczny.
Symbol tyrystora używany na schematach obwodów (rys. 2) ma na celu podkreślenie właściwości prostownika, jednocześnie pokazując bramkę sterującą. W rezultacie symbol tyrystora przedstawia tradycyjny symbol diody z bramką sterującą przy złączu anoda–katoda.
Struktura półprzewodnikowa tyrystora SCR
Tyrystor składa się z czterowarstwowej struktury p-n-p-n, której warstwy zewnętrzne określa się jako anodę (typu p) i katodę (typu n). Końcówka sterująca tyrystora nazywana jest bramką i jest połączona z warstwą typu p umieszczoną obok katody. W rezultacie tyrystor ma trzy złącza.
Chociaż możliwe jest zastosowanie wielu różnych materiałów do tyrystorów, krzem jest najpopularniejszy. Zapewnia on dobrą przewodność cieplną, a także wysoką wydajność napięciową i prądową. Kolejną zaletą jest to, że procesy dla krzemu są bardziej dojrzałe, a co za tym idzie tańsze w eksploatacji, niż te dla innych materiałów, takich jak węglik krzemu (SiC), azotek galu (GaN), diament (odmiana alotropowa węgla) czy materiał półprzewodnikowy z arsenkiem galu (GaAs), który według badań wykazał obiecujące właściwości w ekstremalnych warunkach dużej mocy, wysokiej temperatury i wysokiej częstotliwości.
Poziom domieszkowania jest inny w różnych warstwach tyrystora. Katoda jest najsilniej domieszkowana, natomiast bramka i anoda są nieco mniej domieszkowane. Najniższy poziom domieszkowania znajduje się w centralnej warstwie typu n, która jest grubsza niż inne warstwy – te dwa czynniki umożliwiają obsługę dużego napięcia blokującego wstecznie.
Ze względu na bardzo wysokie prądy i poziomy mocy, do których przełączania używane są niektóre tyrystory, parametry termiczne mają ogromne znaczenie. Anoda sterowanego tyrystora jest zwykle połączona z pakietem, ponieważ zacisk bramki znajduje się w pobliżu katody i musi być podłączony oddzielnie. Odbywa się to w taki sposób, że ciepło jest odprowadzane z krzemu do obudowy. Poza względami wewnętrznymi względy zewnętrzne dotyczące odprowadzania ciepła dla tyrystora muszą być starannie zaimplementowane, w przeciwnym razie element może się przegrzać i ulec trwałej awarii. Wiele mniejszych tyrystorów jest montowanych w standardowych obudowach z serii TO, a większe tyrystory mają znacznie większe obrysy, ale są zaprojektowane do przykręcenia do radiatora. Pomimo ich wydajności moc jest nadal rozpraszana w postaci ciepła i musi zostać odprowadzona na zewnątrz.
Tyrystory GTO
Tyrystor wyłączalny GTO (ang. Gate Turn-Off) jest oparty na podstawowej technologii tyrystorowej, ale ma możliwość wyłączenia przez działanie bramki. Tyrystor GTO jest wariantem standardowej postaci tyrystora. Zamiast bramki używanej do załączania tyrystora w tyrystorze GTO impuls bramki wyłącza tyrystor ze stanu przewodzenia. Dodatkowe możliwości tyrystora GTO umożliwiają jego zastosowanie w aplikacjach, w których standardowy tyrystor nie byłby odpowiedni. Chociaż jego możliwości są bardziej ograniczone, może być wykorzystywany w wielu specjalistycznych zastosowaniach. Tyrystory GTO są przydatne w różnych obszarach, szczególnie w napędach silnikowych o zmiennej prędkości, dużej mocy, falownikach i podobnych obszarach.
Chociaż nie są one tak dobrze znane jak standardowe formy tyrystorów, tyrystory GTO są obecnie szeroko stosowane, ponieważ są w stanie przezwyciężyć wiele wad tradycyjnego tyrystora. W rezultacie tyrystor GTO jest stosowany w praktycznie wszystkich przekształtnikach statycznych wysokiego napięcia typu DC/AC i DC/DC.
Załączenie tyrystora GTO jest realizowane przez impuls „prądu dodatniego” między bramką a zaciskami katody. Ponieważ bramka-katoda zachowuje się jak złącze p-n, między zaciskami występuje stosunkowo małe napięcie. Zjawisko załączania w GTO nie jest jednak tak niezawodne jak w przypadku standardowego tyrystora – mały dodatni prąd bramki musi być utrzymywany nawet po włączeniu, aby poprawić niezawodność.
Struktura półprzewodnikowa tyrystorów GTO
Podobnie jak standardowy tyrystor, tyrystor GTO jest przyrządem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej z trzema złączami. Warstwy to p-n-p-n, przy czym zewnętrzna warstwa p zapewnia połączenie z anodą, a zewnętrzna warstwa n zapewnia połączenie z katodą.
Warstwa katody jest silnie domieszkowana, aby osiągnąć wysoką sprawność emitera i uzyskać obszar n+. Ma to tę wadę, że powoduje, że złącze najbliżej katody ma niskie napięcie przebicia – zwykle od 20 V do 40 V. Stopień domieszkowania obszaru p dla bramki jest stopniowany. Ma to na celu zapewnienie dobrej sprawności emitera, dla którego poziom domieszkowania powinien być niski, przy jednoczesnym zapewnieniu dobrej charakterystyki wyłączania, dla której wymagany jest wysoki poziom domieszkowania.
Elektroda bramkowa jest często ułożona między warstwami, aby zoptymalizować zdolność wyłączania prądu. Urządzenia wysokoprądowe, tj. 1000 A i więcej, mogą mieć kilka tysięcy segmentów, które są podłączone do wspólnego styku bramki.
Innym kluczowym parametrem tyrystora GTO jest maksymalne napięcie blokowania przewodzenia (napięcie wsteczne). Jest to określone przez poziom domieszkowania i grubość obszaru bazowego typu n. Ponieważ wiele urządzeń może wymagać blokowania napięć rzędu kilku kilowoltów, poziom domieszkowania w tym obszarze musi być utrzymywany na stosunkowo niskim poziomie energetycznym.
Zasada działania tyrystora GTO
Wiele aspektów tyrystora wyłączającego bramkę GTO jest bardzo podobnych do zwykłego tyrystora. Można go traktować jako jeden tranzystor p-n-p i jeden tranzystor n-p-n połączone w konfiguracji regeneracyjnej, dzięki której po włączeniu system utrzymuje się w tym stanie. Na rys. 3 przedstawiono schemat zastępczy tyrystora GTO.
Gdy potencjał jest przyłożony do bramki tyrystora GTO, między anodą a katodą prąd nie będzie płynąć. Prąd płynie tylko wtedy, gdy napięcie przekracza napięcie przebicia i prąd płynie w wyniku działania lawinowego, ale ten tryb nie byłby pożądany do normalnej pracy.
W tym stanie tyrystor jest spolaryzowany zaporowo w kierunku przewodzenia. Aby włączyć tyrystor GTO, konieczne jest wprowadzenie prądu do obwodu bramki urządzenia. Po wykonaniu tej czynności włącza się tranzystor p-n-p na schemacie. To ściąga kolektor tranzystora w dół w kierunku napięcia emitera, a to z kolei włącza drugi tranzystor, czyli n-p-n. Fakt, że tranzystor p-n-p jest teraz włączony, zapewnia przepływ prądu do bazy tranzystora n-p-n, a zatem ten proces sprzężenia zwrotnego zapewnia, że po wyłączeniu bramki tyrystora, jak każdy inny tyrystor, pozostanie on włączony.
Kluczową zdolnością tyrystora wyłączalnego prądem bramki jest jego zdolność do wyłączania za pomocą elektrody bramkowej na urządzeniu. Wyłączenie urządzenia uzyskuje się przez przyłożenie ujemnego nastawienia na bramkę w stosunku do katody. Prąd wypływający z obszaru bazowego tranzystora n-p-n powoduje powstanie spadku napięcia w bazie, co zaczyna odwracać polaryzację złącza i tym samym zatrzymywać przepływ prądu w tranzystorze p-n-p – następnie zatrzymuje to przepływ prądu do obszaru bazowego tranzystora n-p-n, a to zapobiega przepływowi prądu w tranzystorze.
Jeśli chodzi o fizykę fazy wyłączania, stwierdzono, że podczas fazy wyłączania tyrystora GTO prąd jest stłoczony we włóknach prądowych o coraz większej gęstości w obszarach najbardziej oddalonych od obszaru bramki. Te obszary o wysokiej gęstości prądu stają się gorące i mogą spowodować awarię urządzenia, jeśli prąd nie zostanie szybko wygaszony. Gdy przepływ prądu ustaje, a warstwy zubożone wokół złączy rosną, tyrystor GTO ponownie wchodzi w stan zaporowy w kierunku przewodzenia. Chociaż tyrystor GTO wykazuje podobieństwo do standardowego tyrystora, jego główną różnicą jest to, że ma możliwość wyłączenia przez napięcie na bramce. Zapewnia to większe możliwości urządzenia i zastosowanie tyrystora GTO w aplikacjach, w których nie można zastosować standardowego tyrystora SCR. W związku z tym tyrystor wyłączalny prądem bramki jest przydatnym przyrządem półprzewodnikowym do wielu aplikacji niestandardowych.
Parametry techniczne tyrystorów
Dobierając tyrystory do projektu, musisz koniecznie zwrócić uwagę na ich najbardziej istotne parametry techniczne, aby uzyskać prawidłowe działanie. Do najważniejszych parametrów tyrystorów należą:
- maksymalny przyrost prądu w stanie przewodzenia tyrystora (dI/dt);
- prąd wyzwalania bramki (IGT);
- maksymalny prąd bramki (IGM);
- prąd bezpiecznika nadprądowego, który ma zadziałać po przekroczeniu prądu przez czas powyżej 10 ms (I2t);
- znamionowa wartość średnia prądu anoda-katoda w stanie przewodzenia (IT(AV));
- znamionowa wartość skuteczna prądu anoda-katoda w stanie przewodzenia (IT(RMS));
- dopuszczalne pojedyncze przetężenie przez maksymalny czas wynoszący 10 ms (ITSM);
- temperatura złącza anoda-katoda w stanie przewodzenia (TJ);
- temperatura przechowywania (TSTG);
- maksymalne napięcie wyzwalania bramki (VGT);
- maksymalne napięcie w chwili wyłączenia tyrystora (VDRM);
- maksymalne napięcie blokowania wstecznego (VGRM).
Jedna odpowiedź
Krzystof Tyr