Тиристоры: Основы, Применение и Перспективы Развития

Введение

Тиристоры — это полупроводниковые приборы, которые играют ключевую роль в современной электронике и электротехнике. Их уникальные свойства позволяют эффективно управлять электрической мощностью и обеспечивать стабильность работы различных устройств и систем. В данной статье мы рассмотрим основы функционирования тиристоров, их применение в различных областях, а также оценим перспективы развития этой важной технологии.

Определение тиристоров

Тиристор — это полупроводниковый прибор с четырёхслойной структурой p-n-p-n и тремя p-n переходами, который может переключаться из непроводящего в проводящее состояние при подаче управляющего сигнала на его управляющий электрод.

История развития тиристоров

Ранние исследования и открытия (1940-е — 1950-е годы)

Первые шаги в создании тиристоров связаны с общим развитием полупроводниковых технологий. В 1947 году были изобретены первые транзисторы, что положило начало эре полупроводников. В 1950-х годах инженеры и ученые начали искать способы создания более мощных и эффективных электронных переключателей.

Изобретение тиристора (1957 год)

В 1957 году американская компания General Electric (GE) представила первый коммерческий тиристор, который был изобретен Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. Этот прибор получил название «тиристор» из-за своей способности переключаться между двумя состояниями: проводящим и непроводящим. Тиристор стал первым мощным полупроводниковым переключателем, способным управлять большими токами и напряжениями.

Развитие и усовершенствование (1960-е — 1970-е годы)

В 1960-х и 1970-х годах тиристоры стали широко использоваться в различных промышленных приложениях, включая управление электродвигателями, источники питания и системы преобразования энергии. Инженеры продолжали улучшать конструкцию тиристоров, повышая их надежность, увеличивая мощность и улучшая характеристики переключения.

Появление новых типов тиристоров (1980-е — 1990-е годы)

В 1980-х и 1990-х годах были разработаны и внедрены новые типы тиристоров, такие как симметричный тиристор (SIT), диод с контролируемым лавинным пробоем (DIAC) и триак. Эти новые приборы позволили расширить области применения тиристоров, включая управление освещением, бытовой электроникой и системами автоматизации.

Современные тиристоры (2000-е годы и далее)

В последние десятилетия тиристоры продолжали эволюционировать, становясь все более компактными, мощными и эффективными. Современные тиристоры широко используются в различных высокотехнологичных областях, включая возобновляемые источники энергии, электрические транспортные средства и системы энергосбережения. Инновации в материалах, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), открыли новые возможности для дальнейшего улучшения характеристик тиристоров.

Схематическое обозначение

Где:

• A (Anode) — анод (положительный вывод)
• K (Cathode) — катод (отрицательный вывод)
• G (Gate) — затвор (управляющий вывод)

В некоторых схемах или мануалах тиристор также может быть обозначен как SCR (Silicon-Controlled Rectifier), что является одним из наиболее распространенных типов тиристоров.

Основы тиристоров

Принцип работы тиристоров

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, работающий как переключатель, контролирующий поток электрического тока в цепи. Его структура включает четыре слоя полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимости (p-n-p-n), образующих три p-n-перехода (J1, J2, J3). Основные выводы тиристора — это анод (A), катод (K) и управляющий электрод (G).

В заблокированном состоянии, когда отсутствует управляющий сигнал или напряжение на аноде относительно катода слишком низкое, центральный p-n-переход (J2) препятствует прохождению тока. В этом состоянии ток через тиристор практически отсутствует.

Чтобы включить тиристор, можно использовать два метода: управление по току и управление по напряжению. При управлении по току на управляющий электрод подается импульс тока, который вызывает локальное пробуждение и генерацию электронно-дырочных пар вблизи перехода J2. Это приводит к лавинному нарастанию тока и полному открытию тиристора, переводя его в проводящее состояние. В случае управления по напряжению на управляющий электрод подается импульс напряжения до достижения уровня, при котором центральный p-n-переход J2 становится проводящим. Лавинное умножение носителей заряда переводит тиристор в проводящее состояние.

После включения тиристор остается в проводящем состоянии благодаря току нагрузки, даже если управляющий сигнал прекращается. Это происходит из-за того, что ток через тиристор поддерживает необходимое количество носителей заряда в центральном p-n-переходе J2. Для отключения тиристора необходимо снизить ток через него ниже уровня удержания (holding current), что можно сделать путем снижения общего тока в цепи или кратковременного разрыва цепи. Как только ток падает ниже уровня удержания, центральный p-n-переход J2 вновь блокирует прохождение тока, и тиристор возвращается в заблокированное состояние.

Основные характеристики тиристоров

Способы управления тиристорами

Управление тиристорами осуществляется путем подачи управляющего тока на управляющий электрод (gate). Существуют два основных способа управления тиристорами: по току и по напряжению. При управлении по току (так называемое управление по току затвора — TCC) тиристор включается, когда на затвор подается управляющий ток, и остается включенным после того, как ток достигнет уровня удержания (holding current). При управлении по напряжению (известном как управление по напряжению затвора — VCC) тиристор включается при подаче управляющего напряжения на затвор до достижения напряжения срабатывания (trigger voltage), после чего управляющий ток прекращается, и тиристор продолжает оставаться включенным.

Простейшая схема включения триодного тиристора с выводом от р-области

На данной схеме представлено условное графическое обозначение тиристора с выводом от области. Такой тиристор известен как тиристор с управлением по катоду, поскольку управляющий электрод расположен в базовой области p, находящейся ближе всего к катодной области n. Когда на эмиттерный переход триодного тиристора подается импульс прямого напряжения через вывод управляющего электрода, тиристор открывается, при условии, что напряжение источника E достаточно для его срабатывания.

Режимы работы тиристоров

Тиристоры имеют несколько режимов работы, которые определяют их поведение в различных условиях эксплуатации. Основные режимы работы тиристоров включают следующие:

1. Блокирующий режим (непроводящее состояние):
   В этом режиме тиристор находится в состоянии высокой импедансности, и через него не проходит значительный ток. Это состояние поддерживается, когда на аноде относительно катода нет достаточного напряжения или управляющий электрод не получает необходимого сигнала. При этом все p-n переходы закрыты.
2. Прямое смещение (включение):
   Этот режим возникает, когда на анод тиристора подается положительное напряжение относительно катода, и на управляющий электрод (gate) подается управляющий импульс. В этом состоянии происходит лавинное умножение носителей заряда, тиристор переходит в проводящее состояние, и через него начинает течь значительный ток.
3. Состояние удержания (проводящее состояние):
   После включения тиристор остается в проводящем состоянии даже после прекращения управляющего импульса, если ток через него не падает ниже уровня удержания (holding current). В этом режиме тиристор имеет низкое сопротивление, и ток через него поддерживается внешним источником напряжения.
4. Отключение (возвращение в блокирующий режим):
   Для перехода тиристора из проводящего состояния обратно в блокирующее необходимо снизить ток через него ниже уровня удержания. Это может быть достигнуто путем уменьшения нагрузки или кратковременного разрыва цепи. Когда ток падает ниже уровня удержания, центральный p-n переход вновь блокируется, и тиристор возвращается в непроводящее состояние.
5. Обратное смещение (обратный режим):
   В этом режиме на анод тиристора подается отрицательное напряжение относительно катода. В этом состоянии все p-n переходы, кроме центрального, смещены в обратном направлении, и тиристор остается в заблокированном состоянии, не проводя ток.

Виды тиристоров

Гребенчатый тиристор (Silicon Controlled Rectifier — SCR)

Гребенчатый тиристор, также известный как SCR, является самым распространенным типом тиристоров. Он имеет три p-n перехода и один управляющий электрод (gate). SCR широко используется в устройствах для регулирования электрической мощности, диммерах, преобразователях переменного тока в постоянный и других приложениях, где требуется эффективное управление большими электрическими нагрузками.

Тиристор симистор (Silicon Bidirectional Thyristor — SMC)

Тиристор симистор, или SMC, представляет собой двунаправленный тиристор, который может управлять током в обоих направлениях. Он состоит из двух SCR, соединенных в антипараллельной конфигурации. SMC используется в устройствах, где необходимо регулирование мощности в обоих направлениях, например, в системах управления переменного тока, сварочных аппаратах и реле.

Тиристор симитрон (Silicon Asymmetrical Thyristor — SAC)

Тиристор симитрон, или SAC, является асимметричным тиристором, предназначенным для работы только в одном направлении тока. Он обладает высокими электрическими характеристиками и широко используется в системах силовой электроники, преобразователях переменного тока в постоянный и других высокопроизводительных приложениях.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor — IGBT)

Биполярный транзистор с изолированным затвором, или IGBT, не является чистым тиристором, но обладает схожими свойствами. Он объединяет преимущества транзистора (легкость управления) и тиристора (высокая эффективность работы при больших токах). IGBT широко применяется в электроприводах, инверторах, силовых источниках, системах регулирования мощности и других высокомощных устройствах.

Модули тиристоров

Модули тиристоров — это устройства, в которых несколько тиристоров или тиристоров совмещены в одной конструкции. Это позволяет сократить размеры и обеспечить более эффективное управление мощностью. Модули тиристоров используются в высоковольтных и высокотоковых приложениях, таких как промышленные электроприводы, стабилизаторы напряжения, тиристорные выпрямители и другие силовые системы. Они обеспечивают надежную и стабильную работу при высоких мощностях и больших токах.

Применение тиристоров

Устройства для регулирования электрической мощности

Тиристоры широко используются в устройствах для регулирования электрической мощности, таких как диммеры, контроллеры нагрузки и регуляторы напряжения. Поскольку тиристоры могут управлять большими электрическими нагрузками и работать в режиме непрерывного проводника, они являются идеальным выбором для регулирования мощности, особенно в системах с переменной нагрузкой, например, освещении, промышленных процессах и бытовых приборах.

Использование тиристоров в электроприводах

Тиристоры имеют важное значение в современных электроприводах. Они используются для управления скоростью и направлением вращения электродвигателей, обеспечивая высокую эффективность и точность регулирования. Тиристорные преобразователи в электроприводах позволяют снижать энергопотребление и обеспечивать плавный пуск и торможение двигателя. Это находит широкое применение в промышленности, лифтах, вентиляционных системах, кранах и других устройствах, где требуется управление электроприводами.

Применение тиристоров в источниках бесперебойного питания (ИБП)

Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для обеспечения непрерывного электропитания в случае сбоя сети или отключения электроэнергии. Тиристоры используются в ИБП для обеспечения быстрого и надежного переключения между источниками питания и обеспечения защиты от перегрузок и коротких замыканий. ИБП на основе тиристоров широко применяются в серверных центрах, медицинском оборудовании, телекоммуникационных системах и других критически важных приложениях.

Тиристоры в силовой электронике для преобразования энергии

Тиристоры играют ключевую роль в силовой электронике для преобразования энергии. Они используются в различных устройствах, таких как:

• Преобразователи переменного тока в постоянный ток (AC-DC): Тиристорные выпрямители обеспечивают эффективное преобразование переменного тока в постоянный, что находит применение в системах электропитания, промышленных приложениях и зарядных устройствах.
• Преобразователи постоянного тока в переменный ток (DC-AC): Тиристорные инверторы позволяют преобразовывать постоянный ток в переменный ток, используемый в устройствах альтернативной энергетики, солнечных и ветровых электростанциях и системах электропитания от аккумуляторов.
• Регуляторы напряжения и тока: Тиристоры применяются для обеспечения стабильности напряжения и тока в системах электропитания и электронных устройствах.
• Системы регулирования мощности: Тиристоры используются в устройствах для динамического контроля электрической мощности, таких как компенсаторы реактивной мощности, схемы управления активной и реактивной мощностью.

Преимущества и недостатки тиристоров

Преимущества тиристоров в сравнении с другими полупроводниковыми приборами

1. Высокая надежность: Тиристоры обладают простой структурой и малым количеством bewеговых частей, что делает их надежными в работе и обеспечивает длительный срок службы.
2. Эффективность: Включение тиристоров происходит с малыми потерями мощности, и они предлагают высокую эффективность в режиме непрерывного проводника.
3. Контроль мощности: Тиристоры позволяют управлять большими электрическими нагрузками, обеспечивая точное регулирование мощности и контроль электрических параметров.
4. Высокая степень коммутации: Тиристоры обеспечивают быструю и надежную коммутацию при высоких токах и напряжениях.
5. Простое управление: Управление тиристорами может быть достигнуто с помощью простых и недорогих схем управления.

Ограничения и недостатки тиристоров

1. Однонаправленность: Большинство тиристоров могут работать только в одном направлении тока, что ограничивает их применение в двунаправленных схемах.
2. Непрерывный проводник: После срабатывания, тиристор остается включенным до тех пор, пока ток в схеме не уменьшится ниже уровня удержания, что ограничивает их использование в схемах с частой сменой направления тока.
3. Электромагнитные помехи: Включение и выключение тиристоров может создавать электромагнитные помехи, что требует дополнительных мер по снижению их воздействия на соседние устройства.
4. Ограниченная скорость переключения: Тиристоры имеют ограниченную скорость переключения по сравнению с некоторыми другими полупроводниковыми приборами, такими как IGBT и MOSFET.

Заключение

Тиристоры представляют собой важные полупроводниковые приборы, которые играют ключевую роль в современной электронике и электротехнике. Они обладают высокой надежностью, эффективностью и могут управлять большими электрическими нагрузками. Применение тиристоров включает устройства для регулирования электрической мощности, электроприводы, источники бесперебойного питания и различные силовые системы.