Способ выключения незапираемого тиристора
Владельцы патента RU 2461913:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО ТГТУ (RU)
Изобретение относится к области электроники. Сущность изобретения: в способе выключения незапираемого тиристора, тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания, обеспечивающего протекание выходного прямого тока, при этом выключение происходит не за счет изменения тока проводимости, а за счет направленного противоположно току проводимости тока смещения, возникающего при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода тиристора. Технический результат - снижение потерь энергии при выключении тиристора и уменьшение времени его выключения. 5 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области электроники и может быть использовано, в частности, в сильноточной инверторной технике, силовом оборудовании, мощных аналоговых ключах.
Известны способы выключения незапираемого тиристора, такие как отключение анодного тока либо шунтирование тиристора (Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под ред. В.И.Круповича, Ю.Г.Барыбина, М.Л.Самовера. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1982. 416 с., ил., - с.), а также коммутация анодного тока путем изменения полярности питающего напряжения (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. 384 с., - с.290).
Способы имеют существенные недостатки, связанные с большими энергетическими потерями и большим временем выключения тиристора.
Известен также наиболее близкий к предлагаемому изобретению способ выключения незапираемого тиристора коммутацией анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения (Герлах В. Тиристоры: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1985. 328 с., ил., - с.240).
Данный способ также имеет существенные недостатки, связанные с большими энергетическими потерями и большим временем выключения тиристора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является существенное снижение энергетических потерь и времени выключения тиристора.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается в способе выключения тиристора, заключающемся в том, что тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания за счет тока смещения, противоположного по направлению току проводимости при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
В открытом состоянии при больших токах нагрузки характеристика тиристора обладает примерно теми же свойствами, что и p-i-n-диода с толщиной базы w, при этом J1 - эмиттерный переход ЭП1, J2 - коллекторный переход КП, J3 - эмиттерный переход ЭП2, ne, pe - первый и второй эмиттеры, nb, pb - первая и вторая базы (фиг.1). Схема замещения в данном случае может быть представлена как совокупность двух биполярных транзисторов: одного - типа p-n-p, другого - типа n-p-n, и емкости C2 перехода J2 (фиг.2). При этом емкость C2 в общем случае состоит из двух компонент (фиг.3) - барьерной емкости Cб, проявляющей свои основные свойства при обратном смещении перехода J2, и диффузионной емкости Сдиф, связанной с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в области перехода J2 и характеризующей инерционность движения неравновесных зарядов:
C2=Cб+Сдиф
Свойства диффузионной емкости проявляются при прямом смещении перехода J2, при котором ее значение может достигать тысяч пикофарад ввиду зависимости от прямого тока. Емкость C2 всегда шунтирована сопротивлением коллекторного перехода R и содержит контактные сопротивления, учтенные в Rдоб.
В общем случае при прямом смещении в области пространственного заряда перехода J2 протекают не только конвекционные токи α1IA и α2IK (где IA - ток анода, IK - ток катода), образованные встречным движением дырок и электронов, но и ток смещения, вызванный влиянием емкости C2 (фиг.4):
где IV(t) - ток смещения;
UA - анодное напряжение тиристора.
Ток смещения учитывает перезаряд емкости C2 запирающего слоя перехода J2, при этом емкостной ток через запирающие емкости переходов J1 и J3 достаточно мал, и им можно пренебречь. Следовательно, ток смещения при протекании через переходы J1 и J3 является током инжекции. Отсюда следует, что выражение для анодного тока тиристора (при условии пренебрежения явлением умножения носителей заряда в запирающем слое перехода J2) имеет вид:
где ICO[U2(t)] - зависимость полного тока обратносмещенного коллекторного перехода от прямого падения напряжения на переходе J2;
IV(t) - ток смещения;
IG(t) - ток управляющего электрода;
α1, α2 - малосигнальные коэффициенты передачи тока в схеме с общей базой.
Из анализа выражения (2) с учетом (1) следует, что при нарастающем анодном напряжении 
влияние тока смещения IV(t) может быть таким сильным, что тиристор может открыться даже при нулевом токе управления, а при убывающем анодном напряжении 
возможно надежное выключение тиристора током IV(t) смещения. Для этого в общем случае необходимо выполнение условия:
где Iуд - ток удержания.
При этом величина потерь при выключении уменьшается за счет того, что прямое сопротивление тиристора в открытом состоянии меньше, чем его обратное сопротивление.
Одна из схем реализации предлагаемого способа приведена на фиг.5 и состоит из незапираемого тиристора 1, в катодную цепь которого включена нагрузка 2, при этом параллельно тиристору 1 подключена последовательная цепочка, содержащая конденсатор 3, полупроводниковый диод 4 и нормально открытый ключ 5, после замыкания которого заряженный от внешнего источника постоянного напряжения конденсатор 3 подключается параллельно тиристору 1, при этом положительно заряженная обкладка подключается к аноду тиристора, а отрицательно заряженная - к катоду, чем достигается прямое смещение перехода J2 тиристора 1, при этом цепь, содержащая конденсатор 3 и резистор 6, служит для заряда конденсатора 3.
В результате на переходе J3 тиристора 1 появляется убывающее анодное напряжение, вызывающее появление направленного противоположно току проводимости тока смещения за счет влияния диффузионной компоненты Cдиф емкости C2 перехода J2. При этом происходит выключение тиристора, если выполняется условие (3), а диод 4 служит для исключения участия емкости 3 в переходном процессе, возникающем при подаче питающего напряжения на схему.
Время выключения тиристора определяется временем рассасывания накопленного заряда в переходе J2. Коммутация анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения обеспечивает наименьшее время выключения среди известных способов. Это достигается принудительным выводом дырок из перехода J2. В предлагаемом способе принудительно выводятся не только дырки, но и электроны, то есть время выключения определяется временем перезаряда емкости C2 и сравнимо с временем включения тиристора, что меньше времени выключения тиристора при использовании любого из известных способов.
При экспериментальной проверке способа, реализация которого приведена на фиг.5, были использованы: тиристор 1 типа ТЧ40, нагрузка 2 в виде лампы накаливания Б220-230 500 Вт; конденсатор 3 типа МБМ 0,25 мкФ; диод 5 типа КД202Ж; резистор 6 типа МЛТ1 39 кОм. Напряжение питания Uпит=220 В.
Проведенные экспериментальные исследования полностью подтвердили работоспособность предлагаемого способа выключения незапираемого тиристора.
Способ выключения незапираемого тиристора, заключающийся в том, что тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания, отличающийся тем, что выключение тиристора осуществляется током смещения, противоположным по направлению току проводимости, при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением коллекторного перехода.
