малыми токами управления
Лекция 16. Параметры тиристоров и переходной процесс их включения малыми токами управления
Процессы включения и выключения тиристоров являются динамическими. Грамотные применение и эксплутация тиристоров предполагает знание особенностей протекания этих процессов. Рассмотрим наиболее важные из них. Но прежде определим некоторые из динамических параметров тиристоров. Динамические параметры тиристоров. Переход из одного статического состояния в другое происходит относительно быстро за время переходных процессов включения или выключения. Учет этих процессов, так же как и в транзисторных ключах, необходим для оценки быстродействия, энергетических потерь и надежности работы тиристора. На рис. 16.1 приведены типичные диаграммы переключения тиристора из закрытого состояния в открытое и обратно. По вертикальной оси верхней системы координат отложены значения анодных напряжений (между анодом и катодом тиристора) и значения анодного тока в различные моменты времени протекания переходных процессов. Вертикальная ось нижней координатной системы служит для отображения значений тока управления, подаваемого на управляющий электрод тиристора.
Из графиков видно, что в момент t0 на тиристор передается импульс управления и начинается переходный процесс включения тиристора. На интервале t1-t2 тиристор открыт. В момент t2 на тиристор подается обратная коммутирующая ЭДС и начинается переходный процесс выключения тиристора (интервал t2-t3). На интервале t3-t4 тиристор заперт. Динамику переключения тиристора описывают следующие параметры: 1) время включения tвкл - время от момента подачи управляющего импульса до момента нарастания анодного тока через тиристор до 90 % установившегося значения при включении на активную нагрузку; 2) время задержки tзд - время от момента подачи управляющего импульса до момента нарастания анодного тока до 10 % установившегося значения Iа; время нарастания tнp- время, соответствующее нарастанию анодного тока с 10 до 90 % его установившегося значения; 3) время выключения tвыкл - время от момента, когда анодный ток через тиристор достиг нулевого значения, до момента, когда тиристор способен выдерживать, не переключаясь, прикладываемое в прямом направлении напряжение (рис. 16.1); 4) критическая скорость нарастания прямого тока через тиристор (di/dt)кр- максимальное значение скорости нарастания прямого тока через тиристор, не вызывающее необратимых процессов в р-п-р-п-структуре и связанного с ними ухудшения параметров тиристора; 5) критическая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)кр - максимальное значение скорости нарастания прямого напряжения, при котором не происходит включения тиристора при заданном напряжении и разомкнутой цепи управляющего электрода. Перечисленные параметры называются динамическими. При оценке режимов эксплуатации тиристоров следует учитывать следующие особенности их динамических параметров. Во-первых, практически все динамические параметры характеризуют несколько физических процессов, протекающих в тиристоре одновременно, и зависят от ряда внутренних параметров прибора: времени жизни, подвижности носителей заряда, емкости переходов и т. п. Во-вторых, как следствие, динамические параметры зависят от режима измерения параметра, так как внутренние параметры являются функцией внешних параметров: характера нагрузки, анодного напряжения, частоты и т. п. Как показывает опыт, выбор схемы и режима работы широкого класса тиристорных устройств (прежде всего преобразователей постоянного тока) определяется значением того или иного динамического параметра тиристора или их совокупностью. Так как режимы эксплуатации тиристоров в значительной степени могут отличаться от режима измерения динамического параметра, то от разработчика тиристорных схем требуется глубокое знание физических процессов, протекающих при переключении тиристора, умение учитывать особенности режима эксплуатации. Переходной процесс включения тиристора током управления при малых анодных токах. При подаче «скачком» положительного тока управления в р-базу тиристора анодный ток возрастает не мгновенно, а в течение некоторого времени, которое определяется переходным процессом включения тиристора. Заменим тиристор двухтранзисторной моделью (рис. 16.2). Резисторы r1, r2, шунтирующие эмиттерные переходы транзисторов, учитывают зависимость коэффициентов передачи тока транзисторов от тока базы. Таким образом, транзистор Т1 открывается только тогда, когда базовый ток превысит значение I1, а транзистор Т2 откроется при IБ2 > I2. Включение тиристора на малые токи характеризуется тем, что проводящее состояние занимает практически всю площадь полупроводниковой структуры прибора. При этом в обоих базах тиристора устанавливается низкий уровень инжекции носителей заряда. Допустим, что тиристор включается на высокоомную и чисто активную анодную нагрузку. Тогда в переходном процессе включения можно выделить три этапа: 1) этап физической задержки, 2) этап регенерации и 3) этап установления сопротивления базы (этап установления).
На этапе физической задержки, когда ток базы транзистора Т1 (р-п-р-типа) еще мал (IБ1 < I1),этот транзистор заперт. Но транзистор Т2, составляющий р-п-р-п-структуру тиристора, в это время открыт. Изменение заряда в базе транзистоpa Т2 описывается уравнением (16.1) где Q2 - заряд неосновных носителей в р-базе тиристора; τБ2 - эффективное время жизни неосновных носителей заряда в р-базе; I2 — ток, протекающий через эмиттерный шунт r2. Таким образом, анодный ток тиристора на этапе физической задержки равен коллекторному току IK2 транзистора T2. С учетом зависимости коллекторного тока от тока базы (рис. 16.3) можно записать IK2 = 0 при IБ2 < I2; (16.2) при IБ2 > I2; (16.3) где 2 — коэффициент передачи тока базы транзистора T2. Решая уравнение (16.1), получаем зависимость коллекторного тока IK2 от времени: , (16.4) при этом предполагается, что в исходном состоянии накопленный заряд в базе транзистора отсутствует, т. е. Q2(0) = 0. (16.4)
Этап физической задержки оканчивается в момент отпирания транзистора Т1, составляющего р-п-р-п-структуру. Это происходит при достижении коллекторным током iK2 = iА значения I1: IK2(tф,з) = I1. (16.5) Длительность этапа физической задержки tф,з определим, подставив (11) в (9), в результате получим: (16.6) После того как откроется транзистор Т1, заканчивается этап физической задержки и начинается этап регенерации. На этом этапе открыты оба транзистора, составляющих р-п-р-п-структуру, причем они работают в активной нормальной области, что обеспечивает действие внутренней положительной обратной связи (ПОС). На этом этапе изменение зарядов в базах тиристора, т. е. в р-базе транзистора T2 и в n-базе транзистора Т1, описывается по методу заряда следующими уравнениями: (16.7) где члены и учитывают внутреннюю ПОС в тиристоре (т. е. учитывают появление коллекторных токов и в соответствующих базах). Начальные заряды в базах равны: и . Решение системы уравнений (13) с учетом начальных условий можно представить в виде (16.8) где q1- q6 коэффициенты, определяемые параметрами структуры тиристора; 1/τрег и 1/τ0 — корни системы уравнений: , (16.9) Постоянная времени τрег определяет скорость нарастания экспоненты с положительным показателем в решении системы уравнений и называется постоянной времени регенерации. Только при условии ( ) > 0 возможно накопление заряда в базах тиристора и его включение. Условие ( ) > 0 обеспечивается при выполнении неравенства (15). . (16.10) Это условие является необходимым для включения тиристора. Достаточным для включения тиристора можно считать условие, при котором производная изменения заряда в одной из баз тиристора больше нуля, при этом заряд в этой базе возрастает, что согласно системе уравнений (16.7) со временем неизбежно вызывает увеличение заряда в другой базе, и тиристор включается. Для неосновных носителей (дырок) в п-базе тиристора можно представить производную изменения заряда в виде + , (16.11) где ty — длительность импульса управления. Таким образом, из (16.11) следует, что включение тиристора возможно только при достижении некоторой минимальной амплитуды тока управления Iy min, обеспечивающей положительное значение множителя при экспоненте с положительным показателем степени: . (16.12) Из (16.12) легко видеть, что даже при подаче на вход тиристора постоянного тока управления (бесконечно большая длительность импульса управления) включение тиристора произойдет лишь при достижении некоторого значения Iy,cт: (16.13) Ток управления Iy,cт называется статическим током управления и определяет минимальное значение постоянного тока управления, при котором может включиться тиристор. Практически этот параметр характеризует помехоустойчивость тиристоров. Из (13) для изменения зарядов в базах можно определить, как меняется во времени анодный ток тиристора на этапе регенерации: , (16.14) откуда, учитывая только экспоненту с положительным корнем 1/τрег, получаем . (16.15) Для оценки длительности этапа регенерации при включении на активную нагрузку имеем из (21) , (16.16) где IА - амплитуда анодного тока тиристора (при полном включении прибора), IА ≈ EА/RА, Врег - коэффициент регенерации тиристора. Значение коэффициента регенерации определяется «силой» взаимного влияния транзисторов р-п-р-п-структуры при включении тиристора, т. е. глубиной внутренней ПОС, и пропорционально коэффициентам передачи тока базы транзисторов р-п-р-п-структуры. Начало этапа установления открытого состояния в переходном процессе включения тиристора на малые токи соответствует смещению коллекторного перехода в прямом направлении (точка F на рис. 16.4). Длительность этого этапа определяется накоплением носителей — модуляцией проводимости базовых областей. Переходный процесс на этом этапе характеризуется падением напряжения на тиристоре от значения UF в момент изменения полярности на коллекторном (центральном) переходе до установившегося значения по мере накопления носителей в базах.
Популярное: Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (508)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |