МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Машиностроительный факультет

Кафедра “Интеллектуальные системы”

Курсовая работа

по дисциплине: «Силовые полупроводниковые приборы , микропроцессоры»

Тема: «Расчет параметров конструкции силового тиристора»

Выполнил: студент группы 103718

Трибух М.А.

Руководитель: Гранько С. В.

Минск 2011

Содержание

Введение……………………………………………………………………….... .3

1. Классификация, структура и ВАХ тиристоров…. …………………..………..…4

1.1. Вольтамперная характеристика тиристора ………………………………8

1.2. Режим прямого запирания ……………………………………………...…9

1.3. Двухтранзисторная модель ………………………………………….….…9

1.4. Защита тиристоров ……………………………………………………..…..12

2. Принцип работы тиристоров…………………………………………………13

2.1. Тиристор в цепи постоянного тока ………………………………….……14

2.2. Тиристор в цепи переменного тока ………………………………………16

3. Буквенные обозначения параметров тиристоров…………………..…...…18

Список используемых источников…………………………………….…….... 21

Введение

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Несмотря на интенсивное развитие микроэлектроники, силовые полупроводниковые приборы, в частности диоды и тиристоры, находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре. Полупроводниковые управляемые диоды - тиристоры обладают высокими эксплуатационными свойствами: малыми удельными габаритами и массой, высокими КПД и быстродействием, продолжительным сроком работы, значительными допустимыми напряжениями и токами, возможностью импульсного управления. на основе тиристоров разработаны экономичные, надежные малогабаритные управляемые вторичные источники электропитания, широко используемые в электроприводах, автоматике, робототехнике, системах управления и во многих других случаях, когда требуется регулируемое постоянное или переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты.

1. Классификация, структура и вах тиристоров

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обычный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная характеристика.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре .

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

На сегодняшний день существует большое количество силовых приборов, используемых в радиоэлектронике и обладающих высокими эксплуатационными характеристиками и мощностью. Рассмотрим некоторые виды электронных приборов, которые используются в производстве радиотехники и электроники.

В отличие от транзистора, тиристор может работать только в ключевом режиме. Тиристор снабжен двумя силовыми контактами, которые пропускают рабочий ток и имеющие управляющий электрод. Тиристоры могут быть в двух позициях: закрытой и открытой. Эти две позиции имеют существенное различное сопротивление между силовыми электродами. Если тиристор находится в закрытой позиции сопротивление большое и ток через него не идет. Тиристор открывается если между силовыми электродами достигнуто напряжение открывания или при наличии тока на управляющем электроде. Если тиристор открыт, то сопротивление резко падает и проводится ток. При отключении тока тиристор закрывается.

В зависимости от количества электродов и формы ВАХ тиристоры называются:

-динисторы;

-тринисторы;

-симмисторы.

На рисунке 1 приведено схематическое изображение тиристоров, имеющих p-n-p-n структуру. С двумя электродами — диодные тиристоры (динисторы) (рис. 1, а), с тремя электродами — триодные тиристоры (тринисторы) (рис. 1, в).

Рис. 3. Схематическое обозначение тиристоров: а — динистор; б — динистор, изображенный в виде сочетания 2-х транзисторов; в — тринистор

Крайние p-n переходы j1 и j3 называют эмиттерными, а средний j2 — коллекторным (соответственно областир1 и n2 называют эмиттерными, а области n1 и р2 — базами). Выводы от крайних областей называют эмиттерными, а от одной из средних базовым или управляющим. Вывод, от которого прямой ток течет во внешнюю цепь, называют катодным, а к которому ток течет из цепи — анодным. Анализ процессов, происходящих в тиристоре, упрощается, если представить его в виде сочетания двух транзисторов типа p-n-р и n-p-n (рис. 1, б).

Существует несколько вариантов объяснения работы тиристоров. Рассмотрим один из них. Если к тиристору приложить напряжение, как показано на рисунке, то переход j1 и j3 окажутся смещенными в прямом направлении, а переход j2 — в обратном. Следовательно, эмиттеры обоих транзисторов будут инжектировать неосновные носители в области базы. В результате диффузии (дрейфа) неосновные носители достигают коллекторного перехода и полем перехода затягиваются в область коллектора. Некоторая часть носителей инжектированных эмиттерами рекомбинирует в базовых областях с основными носителями заряда. Обычно в транзисторах рекомбинационный ток основных носителей поступает от внешнего источника через базовый электрод. В рассматриваемом приборе базовый электрод отсутствует. В этом случае рекомбинационный ток каждой из баз образуется из обратного тока коллекторного перехода и тока противоположного эмиттера. Тогда ток коллекторного перехода

где I_j1, I_j2, I_j3, — соответственно токи первого, второго и третьего p-n переходов; a₁ и a₂ — коэффициенты передачи постоянных токов эмиттера первого и второго эквивалентных транзисторов; I_КБО — обратный ток коллектора первого и второго транзисторов при токах эмиттера равных нулю. Его иногда называют током утечки I_УТ., тогда

где a = a₁ + a₂ — суммарный коэффициент передачи тока.

Таким образом, переключение тиристора в открытое состояние с резким увеличением тока будет происходить при условии a = 1. Напомним, что коэффициент передачи тока эмиттера транзистора возрастает с увеличением тока эмиттера в результате уменьшения рекомбинационной составляющей тока эмиттера и появления электрического поля в базе транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера так же растет при увеличении напряжения на коллекторе из-за уменьшения толщины базы и увеличения коэффициента умножения в коллекторном переходе. Все эти процессы происходят и в тиристорной структуре при увеличении прямого напряжения.