Tyristor

Součástek tyristorového typu je celá řada. Mohou být rozlišovány podle různých hledisek. Je možné se setkat s vícevrstevnými diodami, triodami, tetrodami. Největší význam mají čtyřvrstvé triody – triodové tyristory, dále pouze tyristory.

Obr. 1: Značka

Tyristor, který má též označení SCR (Silicon Controlled Redtifier – křemíkový řízený usměrňovač) je z konstrukčního hlediska vysokonapěťový tranzistor, ke kterému je přidána další vrstva typu P⁺.

Schematická značka a struktura tyristoru jsou na obrázku 2.

Obr. 2: Schematická značka a struktura tyristoru

Tyristor má tři elektrody:

• anodu A;

• katodu K;

• řídicí elektrodu - hradlo (gate) G.

Jak je vidět z obrázku 2, je řídicí elektroda tyristoru G tvořena bází tranzistoru NPN.

Čtyřvrstvá struktura tyristoru obsahuje tři PN přechody. Je-li v anodě vůči katodě tyristoru záporné napětí, je tyristor polarizován v závěrném směru. Přitom jsou krajní přechody polarizovány v závěrném směru, tyristor je zavřený a představuje vysokou impedanci.

Překročí-li napětí v závěrném směru hodnotu U_RRM, což je maximální hodnota opakovatelného závěrného napětí, na hodnotu U_R(BR), dojde k lavinovému průrazu uzavřených přechodů a začne narůstat proud v závěrném směru. Na závěrné části V-A charakteristiky vznikne tzv. koleno (viz. obr. 3). Tím došlo k průrazu tyristoru v závěrném směru a může dojít ke zničení součástky.

Je-li na řídicí elektrodě G vůči katodě nulové napětí (řídicí elektrodou neteče žádný proud I_G), chová se tyristor stejně jako čtyřvrstvá dioda.

Jestliže pracuje tyristor v blokující oblasti, je na anodu připojeno kladné napětí vůči katodě, prostřední přechod PN je v propustném směru, řídicí elektrodou teče (tj. do báze tranzistoru T₂) proud I_G.

Pomineme-li fyzikální princip sepnutí, dojde z obvodového hlediska k otevření tranzistoru T₂. Důsledkem je přivedení záporného napětí na bázi tranzistoru T₁, který je typu PNP. Proud bází tohoto tranzistoru způsobí jeho otevření.

Otevřením T₁ dojde k většímu otevření T₂ atd. Na řídicí elektrodu tedy stačí přivést proudový impulz, který dostatečně vybudí tranzistor T₁. Otevírání tyristoru potom probíhá lavinovitě.

Při zvětšování proudu I_G se zmenšuje velikost blokovacího napětí, kdy tyristor zůstane v rozepnutém stavu.

 

Popis V-A charakteristiky tyristoru

Obr. 3: Tyristor V-A charakteristika

Blokovací oblast je část charakteristiky v propustném směru. Vyznačuje se vysokým odporem – řádově 10⁸ Ω. Na anodě je vůči katodě kladné napětí U_AK, řídicí elektrodou neteče žádný proud. Jestliže do řídicí elektrody přivedeme proud I_G, zvětší se velikost blokovacího proudu a zkrátí se blokující oblast, takže velikost spínacího napětí se zmenší.

Spínací oblast je v ohybu charakteristiky v okolí spínacího napětí U_(BO). V této oblasti dochází k lavinovému průrazu a přepnutí do vodivého stavu.

Propustná oblast charakterizuje vodivý stav tyristoru. Je charakterizována velmi malým odporem, procházející proud je omezen vnější připojenou zátěží.

Závěrná oblast je podobná závěrné oblasti klasické diody. V závěrné oblasti je polarita napětí na přechodech J₁ a J₂ v závěrném směru, tyristor vykazuje velký odpor a teče jím nepatrný závěrný proud I_R. Teče-li však při polarizaci tyristoru v závěrném směru řídicí proud I_G, vzrůstá velikost závěrného proudu I_R .

Důležité parametry tyristoru

Parametry uváděné pro závěrnou oblast

• U_R(BR) je to napětí přiložené na tyristoru v závěrném směru, při kterém přechází závěrná oblast do oblasti průrazu. Tyristor je možné snadno zničit;

• U_R je typové provozní napětí, při kterém je možné tyristor v závěrném směru trvale zatěžovat;

• U_RRM je opakovatelné špičkové napětí v závěrném směru. Tato hodnota platí pro celý rozsah provozních teplot;

• I_R je závěrný klidový proud, který protéká tyristorem, je-li mezi katodou a anodou tyristoru provozní závěrné napětí U_R;

• I_RRM je závěrný špičkový opakovatelný proud.

Parametry uváděné pro propustnou oblast

• U_(B0) spínací napětí v propustném směru, po jehož dosažení přejde tyristor do vodivého stavu, proud hradla je nulový, I_G = 0;

• U_D stejnosměrné blokovací napětí je napětí vztažené k blokující oblasti V-A charakteristiky tyristoru;

• U_FD typové napětí v propustném směru, kterým může být tyristor trvale zatěžován a přitom nepřejde do vodivého stavu;

• U_DRM je opakovatelné špičkové napětí v přímém směru, při kterém nedojde k sepnutí tyristoru. Tato hodnota platí pro celý rozsah provozních teplot;

• U_DSM je neopakovatelné špičkové napětí v přímém směru, při kterém nedojde k sepnutí tyristoru;

• U_T je stejnosměrné napětí mezi anodou a katodou sepnutého tyristoru;

• I_(BO) spínací stejnosměrný proud

• I_D stejnosměrný proud tekoucí tyristorem v blokovacím režimu;

• I_L přídržný proud (latching current) je proud při sepnutí tyristoru, který musí téci tyristorem v okamžiku jeho sepnutí, aby tyristor zůstal v sepnutém stavu, když neteče proud hradlem;

• I_H vratný proud (holding current) je minimální požadovaný proud tyristoru, když je tyristor plně otevřen a neteče proud hradlem. Tento proud je menší než I_L (I_H < I_L). Po sepnutí musí tyristorem nejprve téci proud I_L, teprve potom může klesnout na hodnotu I_H;

• I_T stejnosměrný propustný proud, tj. proud, který teče tyristorem po sepnutí;

• I_TAV průměrný (average) propustný proud. Je to jmenovitá střední hodnota proudu, který může trvale téci tyristorem za stanovených podmínek, např. pro poloviční sinusový průběh při stanovené teplotě prostředí;

• I_TRM propustný špičkový opakovatelný proud;

• I_TSM propustný špičkový proud neopakovatelný.

Parametry uváděné pro hradlo

• U_GT stejnosměrné spínací napětí hradla;

• I_GT spínací proud hradla;

• I_FG stejnosměrný propustný proud hradla, který může hradlem trvale téci;

• I_FGM (též I_GM) špičkový propustný proud hradla;

• U_FGM (též U_GM) špičkové propustné napětí hradla;

• U_RG stejnosměrné závěrné napětí hradla;

• U_RGM špičkové závěrné napětí hradla.

Další důležité parametry

• P_G(AV) střední povolený ztrátový výkon hradla;

• P_GM špičkový povolený ztrátový výkon hradla;

• I_2t míra rozptylové energie (jmenovitá hodnota pojistky – device fuse rating). Aby byla zvolena správná ochrana obvodu s tyristorem, musí mít ochranná pojistka menší hodnotu I²t než I²t tyristoru;

• d U_D/dt  kritická strmost nárůstu blokovacího napětí (viz odstavec „sepnutí kapacitním proudem“);

• dlT/dt kritická strmost nárůstu propustného proudu (viz odstavec „sepnutí kapacitním proudem“);

 

Spínání proudovým impulzem do řídicí elektrody

Toto je obvyklý způsob zapínání tyristoru. Pomocí elektrody je možné dosáhnout sepnutí bez dosažení spínacího napětí U_(BO).

Malým proudem řídicí elektrody je možné ovládat činnost tyristoru, to znamená, že malým vstupním výkonem je možné tyristor převést z vypnutého do sepnutého stavu. Tyristor zůstane v sepnutém stavu i po ukončení impulzu přivedeného na jeho hradlo. Čím je proud řídicí elektrody větší, tím při menším napětí U_AK tyristor sepne. Tyristory jsou vyráběny tak, aby byly sepnuty malým proudem I_GT do řídicí elektrody.

Zapínací proces má tři charakteristické časové úseky:

• doba zpoždění je časový úsek od nástupní hrany spouštěcího impulzu do okamžiku, kdy anodový proud dosáhne 10 % konečné hodnoty v sepnutém stavu;

• doba vzrůstu je čas, ve kterém anodový proud tyristorem rychle roste z hodnoty10 % až na hodnotu 90 % konečné velikosti proudu v sepnutém stavu;

• doba rozšiřování je čas, ve kterém se vodivost rozšiřuje z malé oblasti okolo řídicí elektrody na celou vnitřní plochu přechodu PN.

 

Princip spínání proudovým impulzem do řídicí elektrody je znázorněn na obr. 4.

Obr. 4: Spínání tyristoru proudovým impulzem

Spínaná zátěž je na obrázku 4 označena R_Z. Rezistor R slouží pro nastavení rychlosti nabíjení kondenzátoru C. Až napětí U_C na kondenzátoru dosáhne součtu spínacího napětí diaku a spínacího napětí řídicí elektrody G tyristoru, diak sepne a vybije kondenzátor do elektrody G. Tím vznikne proudový spínací impulz a tyristor sepne.

S otevřením tyristoru dojde zároveň k poklesu napětí na dolním konci rezistoru R_Z , který je spojen s anodou, a tím k ukončení proudového impulzu do hradla. Následující zápornou půlvlnou střídavého napájecího napětí se tyristor vypne a na začátku další kladné půlvlny se proces s nabíjením kondenzátoru opakuje. Nastavením potenciometru R lze volit okamžik od začátku kladné půlvlny, kdy dojde k sepnutí tyristoru.

Dioda na vstupu do zapojení slouží k ochraně hradla a celého obvodu v závěrném směru při záporných hodnotách vstupního napětí U₁, protože závěrné napětí hradla U_RGM má velmi malou hodnotu – jednotky voltů.

Sepnutí kapacitním proudem

PN přechody se vyznačují parazitními kapacitami. Jestliže je mezi anodu a katodu tyristoru přiveden strmý napěťový průběh Δu/Δt, dojde v blokovacím přechodu ke vzniku kapacitního proudu, který způsobí sepnutí tyristoru, i když I_G = 0. Takto vzniklý proud má velikost:

Dosáhne-li kapacitní proud hodnoty IGT nebo větší, tyristor sepne. Toto spínání je rychlejší než spínání proudem do řídicí elektrody. Ve většině aplikací je nežádoucí. Tento způsob sepnutí může být pro tyristor nebezpečný. Z toho důvodu výrobce stanovuje maximální nárůst anodového (blokovacího) napětí (dU_AK/dt)_CRT. Analogicky tomu stanovuje i kritickou strmost nárůstu proudu (dI_AK/dt)_CRT.

Udržení tyristoru v sepnutém stavu

Na udržení tyristoru v sepnutém stavu jím musí protékat dostatečně velký anodový proud I_A. Minimální velikost tohoto proudu, při které zůstane tyristor v sepnutém stavu, je přídržný proud I_L (Latching Current), který musí téci tyristorem bezprostředně po sepnutí. Potřebná velikost tohoto proudu má vliv na maximální velikost zátěže. Má-li tyristor v bezprostředním okamžiku po sepnutí zůstat v sepnutém stavu, musí jeho zátěž tvořená rezistorem R_Z umožnit průtok proudu minimálně velikosti I_T ≥ I_L.

V průběhu zapínacího procesu musí proud protékající tyristorem být minmálně I_T ≥ I_L.

Po ukončení zapínacího procesu může proud tyristorem klesnout na hodnotu I_T ≥ I_H. Platí, že I_L > I_H , tj. v průběhu sepnutí je nutné pro udržení spínacího procesu nechat téci tyristorem o něco větší proud, než je tomu v případě, kdy je již tyristor bezpečně sepnutý.

Vypínání tyristoru

Vypínání tyristoru je uskutečňováno snížením anodového proudu I_A pod vratnou hodnotu I_H.

Vypínání tyristorů v obvodech střídavého proudu

Když je tyristor sepnutý, není možné jej vypnout žádným řídicím signálem. Jedinou možností, jak jej lze vypnout, je způsobit pokles anodového proudu I_A na hodnotu menší než je vratný proud I_H, což je možné uskutečnit komutací napětí U_AK (přivedením napětí opačné polarity mezi anodu a katodu tyristoru).

Poznámka: Pro řízení okamžiku sepnutí tyristoru byla vyvinuta různá zapojení, která umožňují spínání v rámci celé kladné půlvlny vstupního napětí. Tyto obvody je možné zakoupit ve formě integrovaných obvodů vyráběných různými výrobci.

V praxi jsou pro řízení spínání tyristorů používány dva principy:

• synchronní řízení;

• fázové řízení.

Synchronní řízení spočívá v tom, že spínání je synchronizováno s průchodem napájecího napětí nulou. Tyristory jsou sepnuty po dobu celé půlperiody. Ovládání výkonu zátěže je prováděno tak, že je tyristor určitý počet půlperiod sepnut a určitý počet půlperiod rozepnut. Tento způsob je velmi často používán např. pro řízení teploty.

Fázové řízení je používáno pro nízkovýkonové aplikace. Okamžik sepnutí může nastat kdykoliv v průběhu půlperiody napětí. Při sepnutí v okamžiku, kdy má sinusové napájecí napětí největší velikost, dochází k prudké změně proudu zátěží. Rychlá změna proudu vyvolává velké elektromagnetické rušení, které je nutné účinně filtrovat.

Vypínání v obvodech stejnosměrného proudu

V obvodech stejnosměrného napětí nedochází k automatické komutaci napětí jako v obvodech střídavých, a proto je nutné tuto komutaci zabezpečit pomocí speciálních zapojení.

Vypínání je většinou prováděno tak, že se paralelně k tyristoru připojí pomocný zdroj napětí, jehož polarita zajistí závěrnou polarizaci tyristoru a tím dojde k jeho komutaci a vypnutí. Jako pomocný zdroj se nejčastěji používá kondenzátor nabitý na napájecí napětí stejnosměrného obvodu.

Vypínací tyristor GTO

Nevýhodou klasických tyristorů je skutečnost, že je nelze pomocí signálu přivedeného na řídicí elektrodu vypnout. Tyristor GTO (Gate Turn Off Thyristor) je tyristor, který je možné sepnout i vypnout proudem řídicí elektrody.

Při spínání se GTO tyristor schová stejně jako klasický tyristor. Je zapínán kladným proudem do řídicí elektrody (hradla) +I_GT.

Vypínání je uskutečňováno ve stejném zapojení, ale přivedením záporného proudu - I_RG do řídicí elektrody (hradla).

U běžných tyristorů GTO je strmost nárůstu řídicího proudu pro vypnutí I_RG (t = 0 až 10μs) omezena indukčností zapojenou v sérii s napájecím zdrojem U_RG. Tyristor je potom schopen vypínat proudy do jednotek kA (je-li pro takové proudy vyroben) s vypínací dobou přibližně 100 μs.

Napěťové a proudové parametry vypínacích tyristorů běžně dosahují hodnot U_FD = 4,5 kV, I_TAV = 3 kA. Vypínací GTO tyristory jsou určené především pro trakční aplikace a těžké průmyslové pohony, kde instalované výkony přesahují 500kW. Aktuálně jsou využity např. nových vlakových soupravách “pendolino“, kde jsou v trakčních měničích použity chladicím médiem chlazené výkonového GTO tyristory od firmy Westcode.

Tyristory SiC a GaN

Rozvoj polovodičové techniky je nepřetržitý. Neustále vznikají nová zdokonalená řešení, jsou vyvíjeny nové technologie. Jako příklad je možné uvést tyristor z karbidu křemíku SiC a z nitridu gallitého GaN. Cílem těchto nových technologií je konstrukce součástek s malými spínacími a vypínacími časy. Tyto součástky umožňují pracovat se spínacími kmitočty až 500kHz.

Tyristory SiC jsou určeny pro použití ve velmi nepříznivých podmínkách prostředí. Např. tyristor zkonstruovaný firmou Lewis Research Center dokáže pracovat v prostředí o teplotě 350℃. Tyto tyristory vykazují podstatně nižší ztráty při spínání než klasické křemíkové tyristory ve stejných aplikacích. Jejich předpokládané použití je především ve vojenských zařízeních a v kosmické technice. Mohou být použity ve výkonových obvodech velkých elektrických lokomotiv a také v silnoproudých elektrorozvodných zařízeních.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Značka, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Schematická značka a struktura tyristoru, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Tyristor V-A charakteristika, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Spínání tyristoru proudovým impulzem, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009