Тиристор – это переключательный полупроводниковый прибор, теоретические основы которого были сформулированы в публикациях Джона Молла (John Moll) и его соавторов еще в 1956 году [1]. И хотя маломощные тиристоры практически исчезли со сцены, на которой их заменили высоковольтные биполярные транзисторы, MOSFET и IGBT, в области коммутации мегаваттных мощностей они по-прежнему не имеют конкурентов. Тиристоры с рабочими токами 2 кА и напряжением 1.2 кВ используются в драйверах локомотивных двигателей, в устройствах управления плавильными печами на предприятиях по производству алюминия, и еще во множестве приложений.
Тиристор представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство, транзисторный эквивалент которого можно представить схемой, изображенной на Рисунке 1а.
 |
|
| Рисунок 1. | Упрощенный транзисторный эквивалент тиристора (а). Схема с хорошо контролируемыми и вычисляемыми токами затвора и удержания (б). Усовершенствованная схема надежно защищает от нежелательного включения при скачке анодного напряжения (в). |
Устройство остается в выключенном состоянии до тех пор, пока через управляющий электрод 1 (далее называемый «затвор») не будет пропущен положительный импульс тока. После этого четырехслойная структура между анодом и катодом включается, и ток управляющего электрода становится больше не нужным. Для включения тиристора здесь может с равным успехом использоваться и база Q2, однако в монолитных тиристорах обычно используется только один управляющий электрод возле катодной области.
Более реалистичная транзисторная модель, показанная на Рисунке 1б, содержит резисторы между переходами база-эмиттер обоих транзисторов. В результате исключается возможность нежелательного включения токами утечек Q1 и Q2, и ток затвора имеет определенное значение, равное
Одним из общих ограничений тиристоров является скорость нарастания анодного напряжения, которая, в случае превышения определенного порога, становится причиной включения тиристора даже при нулевом токе затвора. Такое напряжение возникает на стороне коммутируемой индуктивной нагрузки в то время, когда ток анода, стремясь к нулю, падает ниже уровня удержания. При этом накопленная в индуктивности энергия стремится резко поднять напряжение на аноде. Напряжение с большой крутизной нарастания возникает также при коммутации резистивных нагрузок комбинацией из двух (как минимум) тиристоров, соединенных подобно аналоговому мультиплексору, когда включение одного из тиристоров вызывает резкое повышение анодного напряжения на другом тиристоре.
Для схемы на Рисунке 1б критическим значением скорости нарастания коммутируемого напряжения будет:
|
|
(1) |
где
VBE0 ≈ 0.7 В, типичное напряжение, при котором открывается кремниевый транзистор,
CCB01 и CCB02 – емкости коллектор-база транзисторов Q1 и Q2.
В связи с тем, что емкости этих конденсаторов уменьшаются с ростом напряжения коллектор-эмиттер, в уравнении (1) следует использовать максимальные значения емкостей. Для транзисторов, использованных в схеме на Рисунке 2, емкости можно оценить величиной CCB01 + CCB02 < 20 пФ. При RB1 = RB2 = 6.8 кОм это дает SVcrit ≈ 5 В/мкс, что значительно меньше типичной для монолитных тиристоров скорости, достигающей SVcrit ≈ 100 В/мкс. Ситуацию могло бы исправить снижение сопротивлений резисторов RB1 и RB2, однако за это пришлось бы заплатить потерей чувствительности затвора. (Изображенная на Рисунке 1б схема может быть сделана настолько чувствительной, что для ее включения будет достаточно тока порядка 100 мкА – одной десятой от тока управления, типичного для маломощных монолитных тиристоров).
 |
|
| Рисунок 2. | После добавления двух керамических конденсаторов емкостью 1 нФ схема перестает реагировать на скачки ∆V анодного напряжения с уровнями до 10 В. |
Однако есть способ, показанный на Рисунке 1в, который позволяет увеличить критическую скорость нарастания напряжения, сохранив низкий отпирающий ток затвора. Если параллельно переходам база-эмиттер NPN и PNP транзисторов включить по конденсатору C, критическую скорость нарастания, теоретически, можно сделать бесконечной. Величина емкости C равна:
|
|
(2) |
Для простоты здесь принято, что нарастание анодного напряжения во время скачка на величину ∆V происходит по линейному закону. Практический предел определяется максимально допустимым током базы используемых транзисторов:
|
|
(3) |
Допустив, что IBmax = 200 мА, из уравнения (3) мы получим вполне правдоподобное значение SVcrit ≈ 100 кВ/мкс.
В результате экспериментов для схемы на Рисунке 2 был выбран PNP транзистор 2N4036, отличающийся самым уверенным и надежным переключением. Его максимальный базовый ток равен 500 мА, а максимальный ток коллектора – 1 А. При скачкообразных изменениях напряжения на аноде изображенного на Рисунке 2 дискретного тиристора (∆V = 9 В за 30 нс, или 300 В/мкс) не произошло ни одного включения.
