СПОСОБ ВЫКЛЮЧЕНИЯ НЕЗАПИРАЕМОГО ТИРИСТОРА
METHOD FOR SWITCHING OFF NON-LOCKED FOUR-LAYER SWITCH

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.
1
2
3
e
e
b
b
2
2
2
б
2
диф
2
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 J - эмиттерный переход ЭП1, J - коллекторный переход КП, J - эмиттерный переход ЭП2, n, p - первый и второй эмиттеры, n, p - 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 C перехода J (фиг.2). При этом емкость C в общем случае состоит из двух компонент (фиг.3) - барьерной емкости C, проявляющей свои основные свойства при обратном смещении перехода J, и диффузионной емкости С, связанной с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в области перехода J и характеризующей инерционность движения неравновесных зарядов:
2
б
диф
C=C+С
2
2
доб
Свойства диффузионной емкости проявляются при прямом смещении перехода J, при котором ее значение может достигать тысяч пикофарад ввиду зависимости от прямого тока. Емкость C всегда шунтирована сопротивлением коллекторного перехода R и содержит контактные сопротивления, учтенные в R.
2
1
A
2
K
A
K
2
В общем случае при прямом смещении в области пространственного заряда перехода J протекают не только конвекционные токи αI и αI (где I - ток анода, I - ток катода), образованные встречным движением дырок и электронов, но и ток смещения, вызванный влиянием емкости C (фиг.4):
V
где I(t) - ток смещения;
A
U - анодное напряжение тиристора.
2
2
1
3
1
3
2
Ток смещения учитывает перезаряд емкости C запирающего слоя перехода J, при этом емкостной ток через запирающие емкости переходов J и J достаточно мал, и им можно пренебречь. Следовательно, ток смещения при протекании через переходы J и J является током инжекции. Отсюда следует, что выражение для анодного тока тиристора (при условии пренебрежения явлением умножения носителей заряда в запирающем слое перехода J) имеет вид:
CO
2
2
где I[U(t)] - зависимость полного тока обратносмещенного коллекторного перехода от прямого падения напряжения на переходе J;
V
I(t) - ток смещения;
G
I(t) - ток управляющего электрода;
1
2
α, α - малосигнальные коэффициенты передачи тока в схеме с общей базой.
V
V
Из анализа выражения (2) с учетом (1) следует, что при нарастающем анодном напряжении  влияние тока смещения I(t) может быть таким сильным, что тиристор может открыться даже при нулевом токе управления, а при убывающем анодном напряжении  возможно надежное выключение тиристора током I(t) смещения. Для этого в общем случае необходимо выполнение условия:
уд
где I - ток удержания.
При этом величина потерь при выключении уменьшается за счет того, что прямое сопротивление тиристора в открытом состоянии меньше, чем его обратное сопротивление.
2
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 J тиристора 1, при этом цепь, содержащая конденсатор 3 и резистор 6, служит для заряда конденсатора 3.
3
диф
2
2
В результате на переходе J тиристора 1 появляется убывающее анодное напряжение, вызывающее появление направленного противоположно току проводимости тока смещения за счет влияния диффузионной компоненты C емкости C перехода J. 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.
2
2
2
Время выключения тиристора определяется временем рассасывания накопленного заряда в переходе J. Коммутация анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения обеспечивает наименьшее время выключения среди известных способов. Это достигается принудительным выводом дырок из перехода J. В предлагаемом способе принудительно выводятся не только дырки, но и электроны, то есть время выключения определяется временем перезаряда емкости C и сравнимо с временем включения тиристора, что меньше времени выключения тиристора при использовании любого из известных способов.
пит
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 U=220 В.
Проведенные экспериментальные исследования полностью подтвердили работоспособность предлагаемого способа выключения незапираемого тиристора.