На відміну від звичайного тиристора тиристор, що замикається може перемикатися з відкритого стану в закрите при подачі на керуючий електрод імпульсу зворотного струму. Це властивість, яка замикається тиристора істотно спрощує реалізацію потужних перетворювальних пристроїв за рахунок виключення громіздких вузлів комутації звичайних тиристорів.
Базова структура, яка замикається тиристора показана на малюнку 8.31. Вона дуже схожа на структуру звичайного тиристора. Найбільш істотна відмінність, яка замикається тиристора від звичайного полягає в тому, що перший має емітер у вигляді вузьких довгих смуг, оточених керуючими електродами, без шунтування катода. При включенні приладу керуючий електрод зміщений позитивно щодо катода, що призводить до введення дірок в його p- базу.
Малюнок 8.31 - Базова структура Малюнок 8.32 - Вимкнення тиристора
Тиристор, що замикається включається в провідний стан так само, як і звичайний тиристор, при виконанні умови
де # 945; 3 і # 945; 1 - коефіцієнти посилення по току n-p-n і p-n-p-складова транзисторів приладу в схемі із загальною базою.
Як і в звичайному тиристори, включення приладу відбувається спочатку по краю n + - емітера, суміжного з керуючим електродом. Потім тиристор, що замикається досягає стану повного включення за рахунок процесу поширення плазми.
При виключенні керуючий електрод зміщується негативно щодо катода і дірковий струм екстрагується з його p- бази (рисунок 8.32). Процес вимкнення тиристора носить двомірний характер, як і вимикання високовольтного біполярного транзистора. Вимкнення приладу починається з краю емітера, де перехід П3 зміщується в зворотному напрямку. В процесі виключення проводить ділянку n- емітера стискається у напрямку до центру емітера через падіння напруги на омічному опорі бази, поки, нарешті, в центрі емітера не залишається тонка провідна нитка.
За цей час, зване часом розсмоктування, анодний струм практично не змінюється, щільність струму в центрі емітера виявляється набагато більше, ніж в тому випадку, коли весь прилад знаходиться в провідному стані. Якщо керуючий електрод відводить достатній заряд, щоб знизити рівень надлишкового заряду нижче значення, необхідного для підтримки стану провідності, то тиристор, що замикається вимикається, і струм знижується до свого мінімального значення. Час, протягом якого це відбувається, називається часом спаду.
Анодна напруга починає наростати в міру зменшення струму. Однак струм спадає не до нуля, а до деякого порогового значення, званого залишковим струмом, який протікає до тих пір, поки весь накопичений заряд його повного видалення з області n- бази (рисунок 8.33). Цей етап має назву часу відновлення.
Малюнок 8.33 - Діаграми зміни струму (а) і зарядів в базі (б)
при виключенні тиристора по керуючому електроду
Слід зазначити особливості і необхідна умова для реалізації замикається тиристора.
1. Сума коефіцієнтів передачі струму транзисторних секцій повинна бути близькою до одиниці:
Ця умова забезпечує малий надлишковий заряд в базах тиристора у відкритому стані (# 8710; Q
(# 945; 1 + # 945; 3 1) # 8729; # 964; ЕF), який може бути видалений посредствам зворотного струму керуючого електрода. У той же час для ефективного видалення надлишкового заряду необхідно велике значення # 945; 3. Тому ця умова трансформується наступним чином:
2. Структура катода не повинна містити технологічних шунтів. Це умова необхідна для забезпечення ефективного видалення надлишкового заряду.
3. Опір p- бази повинно бути мінімальним.
4. Напруга лавинного пробою катодного переходу має бути по можливості великим (UB3> 20 B).
Останні дві умови забезпечують необхідну величину зворотного струму управління.
При перевищенні Iу.зап цього значення настане лавинний пробій катодного переходу П3. і цей струм не буде пов'язаний з видаленням накопиченого заряду, але може привести до відмови тиристора через підвищену виділяється потужності. Для зменшення опору R в використовується Полоскова топологія катода, а також структури з «заглиблених» в p- базі p + стрижнями по всій ширині катода, що забезпечують зменшення поперечного опору бази.
Вираз для коефіцієнта замикання можна отримати з розгляду двухтранзісторного моделі. Дірковий базовий струм n + -p-n транзистора дорівнює Ik # 8729; (1 - # 945; 3). З іншого боку цей струм поставляється посредствам струму анода і струмом управління (# 945; 1 # 8729; Ia + Iy). З рівності цих струмів слід:
Для підвищення коефіцієнта посилення при замиканні по керуючому електроду необхідно забезпечити # 945; 3 ≤ 1, і # 945; 1 ≥ 0, що збігається з першою умовою, яка замикається тиристора. Ефект шнурування анодного струму в процесі виключення призводить до зменшення динамічного напруження в закритому стані (Udp), як і у біполярного транзистора. В тиристори без технологічного шунта в аноді воно обмежене напругою змикання n- бази з урахуванням динамічного заряду електронів. На відміну від транзистора, де поставка внутрішнього зворотного струму здійснюється за рахунок ударної іонізації, в тиристорі при змиканні ОПЗ n- бази відбувається інжекція дірок з p + - анода, що може привести до самовключення і руйнування приладу під час перехідного процесу за рахунок локального підвищення температури до 600-700 ° С.
Ініціює причиною надмірної щільності струму є головним чином ефект шнурування, обумовлений опором p- бази, і ефект накопичення заряду в n- базі. Граничне максимальне значення анодного напруги, що прикладається до переходу протягом етапу спаду Udp. головним чином залежить від коефіцієнта передачі складеного n-p-n транзистора (чим вище коефіцієнт передачі, тим нижче Udp) і ширини n- бази.
На стадії виключення приладу проводить область вздовж емітера в кінці кінців стискається в вузьку лінійну область, яка потім розривається на окремі провідні ділянки.
Після етапу спаду, коли емітерний перехід П3 відновлюється, через нього протікає залишковий струм, який розподіляється знову по всьому емітера. Хоча цей струм і незначний, через досить високого прикладається анодного напруги виникають суттєві втрати потужності тиристора. Анодна напруга може наростати протягом етапу спаду струму, що призводить до появи додаткової струмового компоненти, обумовленої ефектом du / dt. У разі високого значення залишкового струму відбувається повторне включення тиристора.
Малюнок 8.34 - Область безпечної роботи
В обох варіантах руйнування приладу, розглянутих вище, слід підкреслити факт наростання струму. Тому встановлюють значення максимального допустимого анодного струму IAM. яке було вимкнено за допомогою керуючого електрода. Для вирішення поставленого завдання доцільно визначити області безпечної роботи (ОБР), яка замикається тиристора (рисунок 8.34). Ділянка А відповідає максимальному значенню струму IA.M .. зумовленого обмеженнями по тепловій потужності розсіювання і рівністю (8.28) для коефіцієнта замикання, пов'язаним з граничним керуючим струмом; ділянку У враховує обмеження по Udp. визначається в основному ОБР складеного n-p-n транзистора, керованого дірками, інжектіруемого з p- емітера; ділянку С - це область залишкового струму складеного p-n-p транзистора. Робота з виходом за межі будь-якого з цих ділянок призводить до виходу приладу з ладу.
Для розширення ОБР та підвищення стійкості замикаються тиристорів використовують технологічне шунтування анодного p-n переходу.
Хоча застосування структур з зашунтувати анодом призводить до втрати блокує здатності в зворотному напрямку, ця обставина не накладає суттєвих обмежень на області застосування замикаються тиристорів, де є зустрічно-паралельний діод, який використовується для забезпечення протікання зворотного струму. При анодному шунтуванні збільшується блокує здатність в прямому напрямку завдяки зменшенню коефіцієнта передачі # 945; 1 в разі роботи приладу при високій температурі.
Типовий вид залежності коефіцієнта посилення при замиканні від струму анода наведено на малюнку 8.35.
При малих токах анода, близьких до току утримання, надмірне зарядження малий і коефіцієнт замикання великий. При великих токах анода зростання Кзап пов'язано зі зменшенням # 945; 1 на високих рівнях інжекції. При перевищенні струму анода значення Ia.m тиристор виходить з ладу. Максимально замикається струм анода може бути оцінений з допустимого зворотного потоку управління
Малюнок 8.36 - Ланцюги замикання з транзисторним (а) і тиристорним (б і в) ключами
Схеми замикання тиристора по керуючому електроду наведені на малюнку 8.36. Розв'язуючи діоди запобігають вплив анодного джерела на ланцюг включення. Слід зазначити, що у замикаються тиристорів амплітуда відкривають струмів управління в 5 ... 10 разів вище, ніж статичний струм випрямлення. Час виключення замикається тиристора (тривалість негативного імпульсу управління) зменшується зі збільшенням амплітуди струму управління. Надмірна заряд розсмоктується швидше при збільшенні зворотного потоку. Застосування оптотірісторов в ланцюгах виключення потужних замикаються тиристорів дозволяє істотно підвищити стійкість схем на основі таких ключів.