Ćwiczenie 2U. Sterownik fazowy prądu przemiennego Tyrystory Parametry przekształtników elektronicznych LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW I UKŁADÓW MOCY

Transkrypt

1 Politechnika Łódzka Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Łódź, ul. Wólczańka 1/3, bud. B18 tel fak ecretary@dmc.p.lodz.pl LABOATOIUM PZYZĄDÓW I UKŁADÓW MOCY Ćwiczenie U Sterownik fazowy prądu przemiennego Tyrytory Parametry przekztałtników elektronicznych Opracowanie ćwiczenia i intrukcji: Łukaz Starzak Łódź 018 wer

2

3 Spi treści B Wprowadzenie do ćwiczenia Cel i przebieg ćwiczenia Tyrytory Tyrytor konwencjonalny a. Geneza i budowa b. Stan zaworowy c. Stan przebicia d. Stan blokowania e. Stan przewodzenia f. Parametry katalogowe g. Zatoowania tyrytorów Podtawowe mechanizmy załączania a. Dwutranzytorowy model tyrytora konwencjonalnego b. Warunek załączenia c. Załączanie napięciem anoda-katoda d. Załączanie napięciowe w protym obwodzie rzeczywitym e. Załączanie prądem bramki f. Załączanie bramkowe w protym obwodzie rzeczywitym Uzupełnienie wiadomości o przełączaniu tyrytora a. Warunki załączania bramkowego b. Wyłączanie przez zanik prądu w obwodzie anody c. Wyłączanie przez komutację prądu w układzie d. Cza wyłączania e. Krytyczna tromość napięciowa....3.f. Cza załączania g. Krytyczna tromość prądowa Triak a. Budowa i charakterytyka wyjściowa b. Działanie triaka c. Przełączający prąd bramki d. Przełączanie triaka e. Niebezpieczeńtwo załączenia niepożądanego f. Wpływ charakteru obciążenia g. Wpływ truktury przyrządu h. Wybór trybu pracy Przyrządy pokrewne a. Inne kontrukcje tyrytorów b. Tyrytory załączane za pomocą światła c. Diak Sterownik prądu przemiennego Sterowanie mocą lampy żarowej za pomocą elementów elektrycznych a. Wymagania dotyczące przekztałtnika b. Wykorzytanie opornika o zmiennej rezytancji c. Sprawność i wpółczynnik mocy układu z opornikiem Sterowanie mocą lampy żarowej za pomocą przekztałtnika elektronicznego a. Idea układu przełączanego o terowaniu fazowym b. Działanie układu w dwóch taktach pracy c. Sterowanie mocą odbiornika d. Sprawność energetyczna e. Wpółczynnik mocy f. Moc bierna w układzie przełączanym g. Inne pooby terowania Praktyczny układ terownika fazowego prądu przemiennego a. Ogólna koncepcja kompletnego układu b. Działanie dzielnika C Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

4 4 Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) 3.3.c. Działanie diaka d. Układ zmodyfikowany... 5 C Doświadczenie Pomiary Układu pomiarowy Opi układu Działanie i użycie multimetru z funkcją watomierza Konfiguracja układu Wykonanie pomiarów Charakterytyki przetwarzania energii Działanie układu w dziedzinie czau Zakończenie badań D Wyniki Opracowanie wyników Charakterytyki elektryczne Charakterytyki terowania Charakter odbiornika Wpływ nieliniowości odbiornika na charakterytyki przekztałtnika Zaada terowania mocą wyjściową... 6 Jakość przetwarzania energii Triak w przekztałtniku elektronicznym... 6 E Informacje Wymagana wiedza Przygotowanie do wykonywania ćwiczenia Zakre kolokwium Literatura Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

5 B Wprowadzenie do ćwiczenia 1. Cel i przebieg ćwiczenia Celem ćwiczenia jet zbadanie zaady działania i charakterytyk typowego przekztałtnika z grupy AC-AC terownika fazowego prądu przemiennego. W tym konkretnym przypadku będzie on pełnił rolę ściemniacza żarówki halogenowej. W roli łącznika półprzewodnikowego w układzie tym wykorzytany zotanie tyrytor dwukierunkowy triak. Tym amym ćwiczenie tanowić będzie okazję do poznania tych przyrządów, a dodatkowo również diaka elementu elektronicznego pokrewnego do tyrytora. ozdział tanowi kompletne nadmiarowe w tounku do treści przedmiotu źródło podtawowych informacji o wpółcześnie produkowanych tyrytorach mniejzej mocy i diakach. Podanie tych wiadomości było konieczne ze względu na lukę w polkiej literaturze tego zagadnienia dotępne pozycje pochodzą z lat i lub też analizują tyrytory ze zbyt uprazczającego punktu widzenia elektrotechniki. Wiedza ta może okazać ię przydatna w przyzłości, jednak zczegóły działania tyrytorów nie wchodzą w zakre niniejzego ćwiczenia. 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

6

7 . Tyrytory.1. Tyrytor konwencjonalny.1.a. Geneza i budowa W przekztałtniku elektronicznym będącym przedmiotem badań w niniejzym ćwiczeniu, rolę łącznika półprzewodnikowego pełni tyrytor dwukierunkowy triak. Aby jednak zrozumieć zaadę jego działania, muimy odwołać ię do podtawowej werji tego przyrządu tyrytora konwencjonalnego. Tyrytor konwencjonalny (krótowo: tyrytor, ang. emiconductor controlled rectifier SC, thyritor), jet przyrządem półprzewodnikowym o trukturze czterowartwowej PNPN przedtawionej w uprozczeniu na ry. 1a. Poiada on trzy elektrody (końcówki): anodę A (ang. anode), bramkę wyzwalającą G (ang. gate) i katodę K (ang. cathode). Prąd główny jet przewodzony między anodą i katodą, natomiat obwód terowania bramka-katoda umożliwia kontrolowane wprowadzenie przyrządu w tan przewodzenia. Naprzemiennie ułożone wartwy półprzewodnikowe tworzą 3 złącza PN oznaczone jako J 1 J 3. a) K G N P J 3 J N + P N 1 N P 1 J 1 P + A b) A c) A G G K K y. 1. Tyrytor konwencjonalny: a) przekrój truktury z bramką typu P; b), c) ymbole graficzne wg normy PN-EN bez określenia typu bramki i dla truktury z bramką typu P 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

8 8 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) y.. Charakterytyka wyjściowa tyrytora konwencjonalnego (cyframi oznaczono tany pracy: 1 blokowania, załączania, 3 przewodzenia, 4 wyłączania, 5 zaworowy, 6 przebicia) Struktura przedtawiona na ryunku poiada bramkę typu P, gdyż do obzaru o takim właśnie typie przewodnictwa przyłączona jet elektroda bramki. Teoretycznie możliwe jet wykonanie tyrytora o bramce typu N, znajdującej ię po tronie anody. Tyrytory takie miałyby jednak gorze właściwości i nie ą produkowane. Słowo tyrytor pochodzi z języka angielkiego (a oryginalnie z greki) i oznacza tranzytor tyratronowy. Tyratron był odmianą lampy gazowanej, w której za pomocą iatki można było regulować napięcie anoda-katoda powodujące załączenie przyrządu. Umożliwiało to uzykanie funkcjonalności protownika terowanego, identycznej jak obecnie z użyciem tyrytora tąd jego druga angielka nazwa oznaczająca dołownie krzemowy protownik terowany. Tyrytor był pierwzym produkowanym komercyjnie przyrządem półprzewodnikowym mocy dającym ię terować. Wynaleziona wcześniej dioda mocy jet bowiem przyrządem nieterowalnym nie da ię jej załączyć ani wyłączyć poprzez jakiekolwiek oddziaływanie, natomiat ówczene bipolarne tranzytory złączowe charakteryzowały ię zbyt małymi dopuzczalnymi prądami i napięciami. Struktura tyrytora zotała wynaleziona przez inżynierów z amerykańkiej firmy General Electric w 1957 roku. Było to możliwe dzięki użyciu wyokiej jakości płytek krzemowych uzykanych rok wcześniej w Europie w zakładach niemieckiego koncernu Siemen..1.b. Stan zaworowy Na ry. przedtawiono charakterytykę tatyczną obwodu głównego tyrytora konwencjonalnego. Jej analizę zaczniemy od najprotzego przypadku polaryzacji wtecznej, tj. ujemnego napięcia anoda-katoda U AK o pewnej wartości U (indek od ang. revere wteczny ). Przy takim układzie potencjałów końcówek, złącze J polaryzowane jet w kierunku przewodzenia, natomiat złącza J 1 i J 3 ą polaryzowane w kierunku zaporowym. W wyniku tego przez trukturę płynie jedynie niewielki prąd upływu I. Stan ten określamy mianem tanu zaworowego (ang. revere blocking tate; odcinek 5 na ry. ). Właściwości wyokonapięciowych złącz PN zotaną przeanalizowane dokładnie w ćwiczeniu 1. W tym momencie podamy jedynie najważniejze wiadomości niezbędne do zrozumienia zaady działania tyrytora. Z praw fizyki półprzewodników wynika, że napięcie blokowane na przyrządzie (tj. wytrzymywane bez przepływu prądu obciążenia) odkłada ię na złączach polaryzowanych zaporowo. Spadki potencjału na złączach polaryzowanych w kierunku przewodzenia oraz na innych obzarach półprzewodnika można zaniedbać z powodu niewielkiej wartości prądu upływu. Dokładnie rzecz biorąc, napięcie blokowane wytępuje na pewnym obzarze z obu tron złącza, z czym związana jet obecność pola elektrycznego, zgodnie z definicją potencjału 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

9 Tyrytory B 9 dv E = (.1) d x gdzie E natężenie pola elektrycznego, V potencjał elektryczny, x odległość od złącza. Wychodząc z prawa Poiona d E = d x en ε (.) (gdzie e ładunek elektronu, N koncentracja domiezek, ε przenikalność dielektryczna), można łatwo pokazać, że natężenie pola elektrycznego oiąga woją najwiękzą (wzdłuż oi x) wartość E max na złączu (przyjmując przybliżenie złącza kokowego), a natępnie liniowo maleje praktycznie do zera. Można również wykazać, że pole elektryczne jet tak kierowane, że uuwa dziury z wartwy P i elektrony z wartwy N. W wyniku tego powtaje obzar pozbawiony wobodnych nośników, tzw. obzar ładunku przetrzennego (ang. pace charge region). Im mniejza koncentracja domiezek N, tym dalej w głąb wartwy ięga obzar ładunku przetrzennego, a jednocześnie tym mniejze natężenie pola na złączu E max. Dlatego w przypadku złącza J 1 pole wnika głębiej w wartwę N 1 niż w wartwę P 1 (ry. 3a)..1.c. Stan przebicia Z zależności (.1) i (.) wynika również, że w miarę zwiękzania przyłożonego napięcia wtecznego, obzar ładunku przetrzennego rozzerza ię, a natężenie pola na złączu zwiękza ię. W końcu dochodzi do przebicia przyrządu, tj. przejścia ze tanu blokowania napięcia w tan przewodzenia prądu. Może ię to tać: 1) w wyniku przebicia lawinowego (ang. breakdown) kiedy natężenie pola elektrycznego na złączu E max przekroczy wartość krytyczną E br (charakterytyczną dla danego materiału półprzewodnikowego) i dochodzi do lawinowego powielania nośników, a więc generacji dużej liczby nośników w złączu, które tym amym zaczyna przewodzić prąd; ) w wyniku przebicia krośnego (ang. punch-through) kiedy obzar ładunku przetrzennego rozzerzy ię aż do złącza J i pole elektryczne zaczyna przenoić dziury z wartwy P do wartwy P 1 (działa bowiem na nie przeciwnie niż na elektrony, które ą z obzaru złącza uuwane), a więc również natępuje przewodzenie prądu. Tyrytory ą zazwyczaj projektowane tak, aby mechanizm nie mógł ię uaktywnić. Tłumaczy to, dlaczego wartwa N 1 ma najwiękzą wyokość chodzi o to, aby pole elektryczne nie oiągnęło złącza J. W pewnym momencie zaczyna natomiat działać mechanizm 1 natężenie pola E max na złączu J 1 oiąga wartość krytyczną E br. Z zależności (.1) i (.) można wyprowadzić, że dzieje ię to dla napięcia równego U J1(br) br εe = (.3) en gdzie N D1 koncentracja domiezek donorowych w wartwie N 1. Jak twierdziliśmy wyżej, dochodzi wówcza do zapoczątkowania przewodzenia prądu w wyniku przebicia lawinowego, czemu odpowiada odcinek 6 na ry.. Zwróćmy uwagę, że napięcie U J1(br) jet tym wyżze, im mniejza koncentracja domiezek, co tłumaczy z kolei, dlaczego wartwa N 1 jet najłabiej domiezkowana. Na wartość wtecznego napięcia anoda-katoda odpowiadającą przebiciu lawinowemu U (br) nie ma wpływu złącze J 3, gdyż domiezkowanie po obu jego tronach jet ilne (w tounku do złącza J 1), a więc wytrzymałość napięciowa niewielka już dla niewielkich napięć wtecznych złącze to jet przebite. Pewien wpływ poiada natomiat złącze J, a ściślej układ złącz J J 3, który tworzy trukturę bipolarnego tranzytora złączowego P N 1P 1. D1 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

10 10 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) a) K G b) K G N P J 3 N + P N P J 3 N + P J J N 1 N obzar ładunku przetrzennego N 1 N obzar ładunku przetrzennego P 1 J 1 P + P 1 J 1 P + A A c) K G N P J 3 N + P e N 1 J N wtrzykiwanie obzar kładowania ładunku h P 1 J 1 P + y. 3. Uprozczone przedtawienie zjawik fizycznych w tyrytorze w pozczególnych tatycznych tanach pracy: a) tan zaworowy; b) tan blokowania; c) tan przewodzenia Każdy bipolarny tranzytor złączowy charakteryzuje ię pewnym wzmocnieniem prądowym α F, które wpomaga mechanizm przebicia lawinowego. Dochodzi więc do niego wcześniej, niżby to wynikało ze wzoru (.3). Otatecznie napięcie przebicia U (B) (ang. revere breakdown voltage), tj. wteczne napięcie anoda-katoda odpowiadające przebiciu złącza J 1, wynoi 1 κ (B) = U J1(br) ( 1 α F(PNP) ) A U (.4) gdzie κ wpółczynnik zależny od parametrów konkretnej truktury, zawierający ię w przedziale 3 8 (typowo 5). Na zczęście w tyrytorach wpółczynnik wzmocnienia tranzytora P N 1P 1 α F(PNP) ma wartość daleką od jedności, a więc zmniejzenie wytrzymałości napięciowej nie jet bardzo znaczące..1.d. Stan blokowania Mianem tanu blokowania (ang. forward blocking tate) określa ię wytrzymywanie napięcia przyłożonego w kierunku przewodzenia U D (indek pochodzi od ang. diconnected rozłączony ) przy przepływie jedynie niewielkiego prądu upływu I D. Na ry. tanowi temu odpowiada odcinek 1. Sytuacja wewnątrz truktury jet odwrotna w tounku do tanu zaworowego: złącza J 1 i J 3 ą polaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiat przepływ prądu od anody do katody uniemożliwia polaryzowane w kierunku zaporowym złącze J (ry. 3b). Podobnie jak w przypadku tanu zaworowego, wytrzymałość złącza J na przyłożone napięcie wynika z wyokości i domiezkowania wartwy N 1, tąd U J(br) br E = ε U J1(br) (.5) en D1 1 κ D(BO) = U J(br) ( 1 αf(npn) ) U (.6) 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

11 Tyrytory B 11 przy czym napięcie U D(BO) nazywa ię napięciem przełączania (ang. breakover voltage). Indek O oznacza rozwarcie (ang. open) obwodu terowania, tj. brak prądu w obwodzie bramka-katoda. Wpółczynnik wzmocnienia prądowego truktury N P N 1 α F(NPN) ma zwykle nieco więkzą wartość niż α F(PNP), przez co napięcie przełączania jet nieznacznie mniejze od napięcia przebicia U (B)..1.e. Stan przewodzenia Jak wynika z analizy tanu blokowania, przewodzenie prądu przez tyrytor byłoby możliwe wyłącznie, gdyby wprowadzić złącze J w tan przewodzenia. Jak można ię domyślać, jet to faktycznie możliwe (w przeciwnym razie tyrytor nie byłby pecjalnie użytecznym przyrządem) i wiąże ię z doprowadzeniem znacznej liczby nadmiarowych nośników (powyżej liczby wynikającej z koncentracji domiezek) w pobliże złącza J. Te nośniki nadmiarowe ą wtrzykiwane przez złącza J 1 i J 3, które ą polaryzowane tak jak w tanie blokowania a więc w kierunku przewodzenia. Aby złącze J przewodziło, wtrzykiwanie nośników mui być bardzo intenywne, tak by pokonać tendencję do tworzenia obzaru ładunku przetrzennego. Mechanizm to umożliwiający omówimy wraz z załączaniem tyrytora. W tej chwili ograniczymy ię do opiu od trony kutków. Stan, w którym koncentracja wtrzykiwanych nośników nadmiarowych jet o kilka rzędów wielkości więkza od koncentracji wynikającej z domiezkowania, nazywamy wyokim poziomem wtrzykiwania (ang. high injection). Przy wyokim poziomie wtrzykiwania koncentracje dziur i elektronów w obzarze między złączami wtrzykującymi ą obie w przybliżeniu równe i nie zależą od domiezkowania. Tak więc rozróżnienie na obzary P i N przetaje mieć znaczenie. Całe wnętrze tyrytora między złączami J 1 i J 3 jet w poób ciągły wypełnione dużą liczbą nadmiarowych nośników ładunku, dlatego obzar ten nazywamy obzarem kładowania ładunku (ry. 3c). Obzary N 1 i P poiadają zaadniczo wyoką rezytywność ρ zgodnie z zależnością 1 n 1 p) ρ = γ = ( en µ + epµ (.7) gdzie γ przewodność właściwa (konduktywność), n i p koncentracje elektronów i dziur, µ n i µ p ruchliwości elektronów i dziur. Jak bowiem wynika z budowy tyrytora, w obzarze N 1 w tanie równowagi koncentracja n = N D1 jet nika, a p 0; analogicznie w obzarze P koncentracja p = N A jet nika, a n 0. Jednakże, jak twierdziliśmy, w tanie przewodzenia w obu obzarach znajduje ię bardzo duża liczba dodatkowych nośników. Dzięki temu rezytywność obzaru środkowego jet dużo mniejza, niż wynikałoby to z domiezkowania wartw N 1 i P. Możliwe jet więc przewodzenie dużych prądów przy nikim padku potencjału, czemu odpowiada odcinek 3 na ry.. W dużym zakreie prądów odcinek 3 można uznać za protoliniowy, czyli zmianie natężenia prądu anody towarzyzy proporcjonalna zmiana napięcia anoda-katoda. Wpółczynnik kierunkowy tego odcinka tanowi odwrotność rezytancji różniczkowej (zwanej też mniej poprawnie dynamiczną, ang. differential reitance, dynamic reitance) tyrytora w tanie przewodzenia r T I A = r 1 T U AK (.8) co zaznaczono na ry.. Z reguły intereuje na zatoowanie tej zależności w drugą tronę od przyczyny do kutku, tj. obliczenie padku potencjału U AK, jaki zotanie powodowany przez przepływ określonego prądu I A. W tym celu konieczna jet jezcze znajomość wpółrzędnej, jaką odciąłby na oi napięcia przedłużony odcinek 3 (cienka linia przerywana na ry. ). Wpółrzędną tę przez analogię do charakterytyki diody nazywa ię napięciem progowym (ang. threhold voltage) i oznacza U TO. Spadek potencjału na przyrządzie w tanie przewodzenia U T dla określonego prądu przewodzenia I T wyraża ię wówcza zależnością: U = U + r I (.9) T TO T T 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

12 1 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1).1.f. Parametry katalogowe W katalogach przyrządów producenci podają zereg parametrów pozwalających dobrać tyrytor odpowiedni dla danej aplikacji. W przypadku właściwości tatycznych najważniejzymi dla projektanta układów parametrami granicznymi ą: makymalny dopuzczalny średni prąd przewodzenia I T(av)m (ang. abolute maximum average on-tate current) jet to wartość średnia za okre prądu anody, której przekroczenie grozi znizczeniem przyrządu w wyniku wydzielania zbyt dużej mocy; makymalny dopuzczalny kuteczny prąd przewodzenia I T(rm)m (ang. abolute maximum MS on-tate current); makymalny dopuzczalny niepowtarzalny zczytowy prąd przewodzenia I Tm (ang. abolute maximum urge current); makymalne dopuzczalne powtarzalne zczytowe napięcie blokowania U DM (ang. abolute maximum repetitive peak off-tate voltage) a więc wytępujące przy polaryzacji anoda-katoda w kierunku przewodzenia, zaadniczo równe z pewnym margineem bezpieczeńtwa na rozrzut parametrów napięciu przełączania U D(BO); makymalne dopuzczalne powtarzalne zczytowe napięcie wteczne U M (ang. abolute maximum repetitive peak revere voltage) a więc wytępujące przy polaryzacji anoda-katoda w kierunku wtecznym, zaadniczo równe napięciu przebicia U (br), a ponieważ U (br) U D(BO), więc zwykle U M = U DM. Należy wiedzieć, że parametry prądowe podawane ą dla konkretnych przebiegów prądu i konkretnych warunków chłodzenia. Dla tyrytora konwencjonalnego z reguły jet to połówka inuoidy o czętotliwości 50 Hz (wartość 60 Hz wynika z czętotliwości ieci amerykańkiej i japońkiej) oraz chłodzenie na tyle kuteczne, że temperatura obudowy nie przekracza ok. 80 C. W przypadku parametrów określanych jako niepowtarzalne warunkiem jet, że dana wartość nie może powtórzyć ię, zanim nie utaną kutki cieplne poprzedniego jej wytąpienia..1.g. Zatoowania tyrytorów Wpomnieliśmy, że tyrytory były pierwzymi terowalnymi przyrządami półprzewodnikowymi mocy. W tym pionierkim okreie znajdowały zatoowanie w przekztałtnikach niemal wzytkich ówcześnie znanych typów. Wraz z opracowaniem kontrukcji tranzytorów mocy, obzar ich zatoowań znacznie ię zawęził. Tranzytory przynioły bowiem możliwość pełnego terowania, tj. załączania i wyłączania, a dodatkowo tranzytory polowe z użyciem znikomo małej mocy. Niemniej tyrytory mają 3 zaadnicze zalety: 1) najniżza ze wzytkich przyrządów terowanych rezytancja w tanie przewodzenia (zarówno tatyczna, jak i dynamiczna tj. różniczkowa), ) natężenie prądu wyjściowego niezależne od wartości ygnału terującego, co łącznie z poprzednią cechą oznacza najwiękzą obciążalność (prąd makymalny), 3) niewygórowane wymagania technologiczne, tąd niki kozt produkcji (względem innych przyrządów o takich amych parametrach znamionowych). Zalety te prawiają, że tyrytory ą nadal konkurencyjne w natępujących zatoowaniach: 1) terowane protowniki dla czętotliwości 50 Hz (głównie więkzej mocy) tandardowe tyrytory konwencjonalne, ) terowniki prądu przemiennego o czętotliwości 50 Hz (małej i dużej mocy) tandardowe tyrytory konwencjonalne (w układach dużej mocy) i dwukierunkowe (triaki), 3) falowniki i inne przekztałtniki bardzo dużej mocy (np. dla trakcji kolejowej) pracujące z czętotliwościami do kilku kiloherców pecjalne tyrytory zybkie i wyłączalne. 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

13 Tyrytory B 13.. Podtawowe mechanizmy załączania..a. Dwutranzytorowy model tyrytora konwencjonalnego W analizie proceów dynamicznych zachodzących w tyrytorze przydatny jet model przedtawiający jego trukturę jako połączenie dwóch bipolarnych tranzytorów złączowych: P 1N 1P (T 1) i N 1P N (T ; patrz ry. 4). Skrajne wartwy ilnie domiezkowane tanowią emitery tych tranzytorów, natomiat łabo domiezkowane wpólne dla obu tranzytorów odpowiednio kolektory lub bazy. a) A b) A c) A P 1 (P + ) J 1 P 1 T 1 I A N 1 (N ) N 1 N 1 I C1 I C G P (P) J G P P G I G T I K N (N + ) J 3 N K K K y. 4. Dwutranzytorowy model tyrytora konwencjonalnego: a) uprozczony wyjściowy przekrój truktury; b) rozdzielenie tranzytorów kładowych; c) elektryczny chemat zatępczy Jak wynika z elektrycznego chematu zatępczego, prądy końcówek łączy zależność: I A = I = I + I = I I = I I (.10) E1 Dodatkowo dla każdego z tranzytorów T 1 i T pełniona jet znana zależność I I C1 C1 C C C01 E F1 E1 G K G = I + α I (.11) = I + α I (.1) C0 gdzie I C0 prąd upływu (zerowy) złącza baza-kolektor, α F wzmocnienie prądowe w układzie wpólnej bazy przy pracy normalnej...b. Warunek załączenia Jak twierdziliśmy rozważając tan blokowania, przekroczenie napięcia U D(BO) między anodą i katodą powoduje lawinowe powielanie nośników. Złącze J jet wpólne dla tranzytorów T 1 i T, dlatego uwidoczni ię to w prądach ich obu. Częto toowany uprozczony, makrokopowy opi zjawika powielania lawinowego przedtawia prąd wyjściowy tranzytora w potaci I I C1 C F E = M ( I + α I E1 ) (.13) J C01 F1 = M ( I + α I E ) (.14) przy czym liczbę M nazywa ię wpółczynnikiem powielania definiowanym ogólnie jako J C0 F 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

14 14 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) κ 1 U M = 1 (.15) U Wpółczynnik powielania, a z nim prąd kolektora, dąży więc do niekończoności w miarę jak napięcie wteczne (w odnieieniu do danego złącza w tym przypadku J ) U zbliża ię do napięcia przebicia tego złącza U br. Z kolei dla niewielkich napięć wtecznych (U << U br) M 1. Podtawiając wyrażenia (.13) i (.14) do (.10) mamy br I A = I + I = M I + α I ) + M ( I + α I ) (.16) C1 C J ( C01 F1 E1 J C0 F E Prądy emiterów możemy uzależnić od prądu anody korzytając również z równości (.10): A J [ I + I + I + ( I I G ) ] I = M α α + (.17) Po uporządkowaniu wyrazów otrzymujemy wynik w potaci C01 F1 A C0 F A I A M J ( α FI = 1 M ( α J G F1 + I + α C0 F ) ) (.18) gdzie przez I C0 oznaczono umę prądów naycenia I C01 i I C0. Zauważmy, że gdy M ( α +α F ) 1 (.19) J F1 prąd anody I A dąży do niekończoności. W praktyce oznacza to, że ograniczony jet on tylko rezytancją (czy też ogólniej impedancją) obwodu zewnętrznego. Tyrytor ze tanu blokowania napięcia (wyłączenia wyokiej rezytancji) przechodzi więc w tan przewodzenia prądu (załączenia nikiej rezytancji). Innymi łowy, tyrytor załącza ię...c. Załączanie napięciem anoda-katoda do Załóżmy najpierw, że prąd bramki nie płynie (I G = 0). Wyrażenie (.18) uprazcza ię wówcza I A = M JI C0 M ( α + α ) (.0) 1 J F1 F Jak wynika z analizy działania tranzytora bipolarnego złączowego, a zczególnie tranzytora wyokonapięciowego z zeroką bazą, wzmocnienie prądowe α F maleje ze padkiem natężenia prądu i padkiem napięcia anoda-katoda. Przy braku prądu bramki i nikim napięciu anoda-katoda, w trukturze generowane ą tylko niewielkie prądy zerowe I C01 i I C0. Wobec tego również wzmocnienia obu tranzytorów ą niewielkie (w umie dużo mniejze od 1). W tej ytuacji można zaniedbać zmniejzenie napięcia przebicia opiywane zależnością (.6) i przyjąć U J(br) U D(BO). Zakładając jednocześnie, że napięcie przyłożone do tyrytora odkłada ię wyłącznie na złączu J, możemy przedtawić wpółczynnik powielania M J w łatwiejzej do interpretacji formie, jako funkcję napięć anoda-katoda: J() AK M J = 1 1 (.1) U J(br) U D(BO) U κ Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej U κ 1 Przez tyrytor płynie więc niewielki prąd wyrażający ię wzorem (.0), nieznacznie wzratający wraz z przyłożonym napięciem, jako że nieznacznie roną wartości M J, α F1 i α F. Prąd ten pozotaje

15 Tyrytory B 15 jednak niewielki co do wartości dopóki napięcie U AK jet odległe od U D(BO), gdyż M J 1. A więc, ze względu na nikie wzmocnienia prądowe, warunek załączenia (.19) może zotać pełniony wyłącznie w wyniku wzrotu przyłożonego napięcia U AK do wartości blikiej napięciu przełączania U D(BO). Kiedy wpółczynnik powielania M J wzrośnie do takiej wartości, że iloczyn M J (α F1 + α F) oiągnie wartość 1, natępuje jak twierdziliśmy wyżej załączenie tyrytora, czyli przejście w tan przewodzenia. Odpowiada to przejściu punktu pracy z odcinka 1 na ry. na odcinek 3...d. Załączanie napięciowe w protym obwodzie rzeczywitym ozważmy uprozczony, ogólny przypadek obwodu z tyrytorem zailanego ze źródła napięcia u i obciążonego opornikiem L. Schemat takiego obwodu przedtawiono na ry. 5a, natomiat ry. 5c przedtawia przebiegi wielkości elektrycznych w obwodzie (u, u AK, i A). Wielkości te łączy napięciowe prawo Kirchhoffa: które opiuje jednocześnie protą pracy układu. u = u + i (.) AK W analizie zakładamy, że zmiany napięcia źródła u ą na tyle powolne w tounku do bezwładności tyrytora, że przyrząd ten działa quai-tatycznie. Uprawnione jet więc odwzorowanie zmian chwilowego prądu i A i napięcia u AK na tatycznej charakterytyce wyjściowej I A = f(u AK). Zotało to uczynione na ry. 5b, który przedtawia trajektorię punktu pracy tyrytora. Załóżmy, że początkowo u = 0, a więc i A = 0, a tyrytor znajduje ię w punkcie 0. Zwiękzając napięcie źródła u, powodujemy przeuwanie ię protej pracy jak wiadomo, wyznaczonej przez punkty u i u / L w prawo (punkty 1, ). Tyrytor znajduje ię w tanie blokowania z powodu zaporowej polaryzacji złącza J, a niewielki prąd upływu wyraża ię wzorem (.0). Napięcie na tyrytorze jet nieco mniejze od napięcia u, pomniejzonego jedynie o padek potencjału na rezytancji L w wyniku przepływu prądu upływu. W punkcie 3 napięcie na tyrytorze oiąga wartość napięcia przełączania U D(BO), a więc dochodzi do lawinowego powielania nośników w obzarze złącza J. Pojawienie ię dużej liczby nośników powoduje, że w krótkim czaie rezytancja tyrytora radykalnie pada. Odpowiada to zybkiemu przejściu z punktu 3 do punktu 4, w którym napięcie na tyrytorze jet nikie i w uprozczeniu wyraża ię wzorem (.9). Jeżeli założymy, że przełączanie jet niekończenie zybkie, to oba punkty 3 i 4 znajdują ię na tej amej protej pracy. Przebieg przełączania zotanie przeanalizowany później. Gdyby napięcie źródła u pozotało tałe, to tyrytor pozotałby w punkcie pracy 4. Jeżeli natomiat zwiękzymy u jak na ryunku, to natąpi przeunięcie protej pracy i odpowiednio przejście tyrytora do pewnego punktu 5, tj. co oczywite zwiękzenie prądu płynącego w obwodzie oraz proporcjonalne zwiękzenie padku potencjału na przyrządzie. Od chwili załączenia tyrytora, zgodnie ze wzorem (.0), prąd anody mógłby teoretycznie oiągnąć wartość niekończoną. Uwzględniając jednak, że tyrytor pracuje w rzeczywitym układzie, zawierającym pewną impedancję w tym przypadku rezytancję L, oberwujemy ograniczenie prądu do pewnej wartości (dla przykładu w punkcie 5) i A5. Wartość tę można obliczyć zapiując napięciowe prawo Kirchhoffa (.) dla punktu 5: i podtawiając zależność (.9) dla U F = u AK5:..e. Załączanie prądem bramki 5 AK5 L A u = u + i (.3) i u U L A5 5 TO A5 = (.4) L + rt Załączanie tyrytora poprzez przekroczenie napięcia przełączania anoda-katoda nie jet intereujące dla projektanta przekztałtników elektronicznych. Przekztałtnik powinien 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

16 16 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) bowiem umożliwiać terowanie przepływem energii elektrycznej. Tymczaem załączanie napięciowe natępuje zawze dla tej amej wartości napięcia, więc dla danego przebiegu napięcia źródła u prąd i A będzie zawze płynął tak amo, czyli energia będzie przekazywana do odbiornika L w poób niezmienny. Aby uzykać możliwość terowania (zmniejzenia, zwiękzenia) mocą przekazywaną ze źródła u do odbiornika L, należy wykorzytać trzecią końcówkę tyrytora bramkę. a) b) L u i A u AK c) y. 5. Załączanie napięciowe tyrytora w obwodzie z obciążeniem rezytancyjnym: a) chemat układu; b) obieg punktu pracy na tle tatycznej charakterytyki wyjściowej (wykre bez zachowania rzeczywitej kali uwypuklono prąd upływu w tanie blokowania i napięcie w tanie przewodzenia); c) przebiegi czaowe prądu i napięć w układzie Aby bramka mogła być uaktywniona, należy przede wzytkim nie dopuścić do uaktywnienia załączania napięciowego. Oznacza to, że projektant układu mui zadbać, by napięcie anoda-katoda nie przekroczyło nigdy wartości U D(BO). Przy napięciu u AK znacznie odległym od U D(BO), wpółczynnik powielania M J 1. Zależność (.18) uprazcza ię więc w tym przypadku do I A FI G + I C0 = α (.5) ( α + α ) 1 F1 F Jeżeli do bramki zotanie dotarczony prąd I G > 0, to zgodnie ze wzorem (.1) i uwzględniając, że I E = I A + I G doprowadzi to do wzrotu prądu płynącego przez obwód wyjściowy (emiter kolektor) tranzytora T. Wzrośnie więc wzmocnienie prądowe α F, ale także zgodnie z zależnością 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

17 Tyrytory B 17 (.5) prąd anody I A. Prąd ten jet jednocześnie prądem obwodu wyjściowego tranzytora T 1, a więc jego wzmocnienie α F1 również wzrośnie, a więc jego prąd kolektora także. Tymczaem prąd kolektora tranzytora T 1 jet kładnikiem prądu bazy tranzytora T i vice vera. W konekwencji prąd kolektora T rośnie jezcze bardziej i jezcze bardziej rośnie jego wzmocnienie prądowe, i tak dalej. Oberwujemy więc dodatnie przężenie zwrotne, wynikające z takiego a nie innego połączenia tranzytorów T 1 i T. W wyniku działania tego przężenia, dodatni prąd bramki I G powoduje znaczny i gwałtowny wzrot wpółczynników α F1 i α F. Jeżeli ich uma oiągnie wartość 1, pełniony zotaje warunek (.19) i prąd anody dąży teoretycznie do niekończoności, czyli tranzytor przechodzi w tan załączenia. Załączenie tyrytora oznacza, że przewodzi on znaczny prąd, ograniczony wyłącznie impedancją obwodu zewnętrznego. Wzmocnienia prądowe oiągają więc znaczne wartości i mianownik wyrażenia (.5) jet tale utrzymywany na poziomie blikim zera. W tej ytuacji rozwarcie bramki (I G = 0) nie powoduje żadnej zmiany w działaniu tyrytora, gdyż teoretycznie nadal I A niezależnie od licznika. Stanowi to bardzo itotną oberwację i wkazuje, że tyrytor jet przyrządem półterowalnym można go w kontrolowany poób załączyć, jednak po załączeniu kontrolę tę ię traci...f. Załączanie bramkowe w protym obwodzie rzeczywitym ozważmy ponownie obwód ze źródłem napięcia i odbiornikiem rezytancyjnym. Z tym, że obecnie dopuśćmy możliwość doprowadzenia do bramki impulu prądowego, co reprezentuje źródło prądowe i GG (ry. 6a). Jak wynika z analizy proceu załączania bramkowego, prąd bramki i G ma tanowić dodatkowy prąd bazy tranzytora kładowego T 1. Dlatego powinien ię on zamknąć w obwodzie baza-emiter tego tranzytora, czyli bramka-katoda tyrytora, i dlatego też źródło zotało włączone między te właśnie końcówki. Przyjmijmy dla odmiany, że napięcie zailania u zmienia ię inuoidalnie, co tanowi dość częty przypadek w typowych układach tyrytorowych. Podtrzymujemy jednak uprazczające założenie o powolnych zmianach u i quai-tatycznej pracy tyrytora. Przebiegi prądów i napięcia w układzie w tym przypadku przedtawiono na ry. 6c, zaś trajektorię punktu pracy na tle tatycznej charakterytyki wyjściowej na ry. 6b. Wykonując wykrey założono, że rezytancja L ma wartość mniejzą niż poprzednio, tąd bardziej tromy przebieg protej pracy. Zauważmy, że tyrytor zotał tak dobrany względem źródła, aby uniemożliwić wytąpienie załączenia napięciowego napięcie przełączania tyrytora U D(BO) jet więkze od amplitudy napięcia źródła U m. W ten poób zykaliśmy możliwość kontrolowanego załączenia tyrytora poprzez podanie impulu prądu bramki w wybranym momencie. Począwzy od chwili t 0 (punkt 0 na charakterytyce tatycznej), napięcie źródła u zaczyna naratać od zera do pełnej amplitudy U m. Ponieważ w układzie płynie jedynie niewielki prąd upływu, napięcie na tyrytorze u AK jet niewiele mniejze od napięcia źródła (pomniejzone o padek potencjału na rezytancji L). Załóżmy, że z jakichś względów zależy nam na załączeniu tyrytora po upływie 1/6 półokreu inuoidy. Odpowiada to chwili oznaczonej jako t 1, kiedy to napięcia oiągają pewne wartości u 1 i u AK1, a tyrytor znajduje ię w punkcie pracy 1. W celu załączenia tyrytora, w źródle i GG zotaje wygenerowany impul prądu. Zwykle ma on cza trwania zaniedbywalnie krótki w porównaniu ze zmiennością przebiegów w obwodzie głównym. Przepływ prądu bramki powoduje załączenie tyrytora w wyniku działania mechanizmu fizycznego przeanalizowanego wyżej. W zaniedbywalnie krótkim czaie natępuje więc przejście punktu pracy tyrytora z punktu 1 do punktu. Po załączeniu tyrytora, prąd w obwodzie jet w przybliżeniu proporcjonalny do napięcia źródła u. Parametry tyrytora r F i U TO ą bowiem na tyle małe, że padek potencjału na nim jet niewielki w porównaniu ze padkiem potencjału na odbiorniku L, a więc to odbiornik dyktuje charakter przebiegów. W miarę zwiękzania napięcia, oiągamy w chwili t 3 makimum napięć i prądów, przy czym analogicznie do (.4) 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

18 18 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) i U U m TO Am = (.6) L + rt u = U + r i (.7) AKm TO T Am a) b) L u i A i G u AK i GG c) y. 6. Załączanie napięciowe tyrytora w obwodzie z obciążeniem rezytancyjnym: a) chemat układu; b) obieg punktu pracy na tle tatycznej charakterytyki wyjściowej (wykre bez zachowania rzeczywitej kali uwypuklono prąd upływu w tanie blokowania i napięcie w tanie przewodzenia); c) przebiegi czaowe prądów i napięć w układzie (cza trwania impulu prądu bramki oraz wartości I H i I L bez zachowania rzeczywitej kali) 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

19 Tyrytory B Uzupełnienie wiadomości o przełączaniu tyrytora.3.a. Warunki załączania bramkowego Można ię domyślać, że nie każdy dodatni prąd bramki mui wytarczyć do załączenia tyrytora. Nawet bez prądu bramki w trukturze płyną bowiem zawze prądy naycenia złącz, a jednak nie doprowadzają one do jej załączenia z powodu zbyt małych wzmocnień α F. Prąd bramki mui być znacząco więkzy od prądów zerowych, na tyle, by powodować znaczący wzrot wzmocnień prądowych tranzytorów kładowych. Najmniejzą wartość tałego prądu bramki I G, która doprowadza do załączenia tyrytora, nazywa ię przełączającym prądem bramki (ang. gate trigger current) i oznacza I GT. Dla wpółczenych tyrytorów wartość przełączającego prądu bramki jet od do 4 rzędów wielkości mniejza od prądu znamionowego danego przyrządu. Jak wynika z ogólnej potaci zależności (.18), przełączający prąd bramki zależy od napięcia anoda-katoda. Zwiękzenie u AK powoduje zwiękzenie wzmocnień prądowych oraz wpółczynnika powielania M J. W związku z tym dla wyżzego napięcia u AK załączanie bramkowe jet łatwiejze, tzn. zachodzi już dla mniejzego prądu bramki I G. W praktyce należy więc zwrócić uwagę na taki dobór natężenia prądu bramki, aby tyrytor poprawnie załączał ię dla najmniejzego możliwego napięcia anoda-katoda. Ze względu na ilną zależność prądu przełączającego od tego i innych warunków pracy, reguła inżynierka mówi, że dla niezawodnego działania układu należy zapewnić amplitudę I GGm od 3 do 5 razy więkzą od podanej w katalogu wartości I GT. Dla przyrządów dużej mocy prądy znamionowe oiągają duże wartości, więc również moc trat w obwodzie bramki byłaby całkiem znaczna, gdyby prąd bramki płynął tale. W wielu aplikacjach konieczna jet z kolei realizacja złożonych algorytmów terowania, do czego niezbędne ą układy cyfrowe, w tym mikroproceorowe. Nie poiadają one jednak dużej wydajności prądowej dla prądu tałego ani wyokiej wytrzymałości cieplnej. Z tych względów tyrytorami teruje ię podając impuly prądu bramki o kończonym czaie trwania, dużo krótzym od czau, przez który tyrytor ma przewodzić prąd. Stwierdziliśmy jednak, że aby tyrytor pozotał w tanie przewodzenia po utaniu przepływu prądu bramki, wymagane jet utrzymanie warunku α F1 + α F 1. Ponieważ wzmocnienia ą ronącą funkcją prądu, więc niezbędne jet z kolei odpowiednio wyokie natężenie prądu płynącego przez trukturę I A. Można ię więc domyślać, że również nie każda wartość prądu anody mui wytarczyć do trwałego załączenia tyrytora. Zjawiko utraty kontroli nad tyrytorem poprzez bramkę (w wyniku jak twierdziliśmy nie utającego działania dodatniego przężenia zwrotnego między tranzytorami kładowymi T 1 i T ) nazywamy zatrzakiem (ang. latch-up). Dlatego też minimalną wartość prądu anody, jaka niezbędna jet do trwałego załączenia tyrytora (również po zaniku impulu prądu bramki), nazywamy prądem zatrzaku (ang. latching current) i oznaczamy I L. Prąd ten jet typowo o 3 rzędy wielkości mniejzy od znamionowego prądu danego przyrządu. Dla załączenia nie jet również obojętny cza trwania impulu prądu bramki t ig. W przybliżeniu minimalny cza trwania impulu jet odwrotnie proporcjonalny do amplitudy tego impulu. Im mniejza amplituda prądu bramki, tym dłużej mui trwać impul wyzwalający. Ani amplituda, ani cza trwania impulu nie mogą być zbyt duże. Obzar bezpiecznej pracy tyrytora ograniczają pod tym względem dwa parametry graniczne: makymalny dopuzczalny zczytowy prąd bramki I G(m) oraz makymalna dopuzczalna moc trat w obwodzie bramki: zczytowa P G(m) i średnia P G(av)m. Obwód bramka-katoda tyrytora tanowi pewną nieliniową, lecz niezerową rezytancję (rzędu kilkudzieięciu omów). Dlatego przepływ prądu bramki można wymuić za pomocą źródła napięcia przyłączonego do tych zacików. Minimalną amplitudę napięcia niezbędnego do wywołania przepływu prądu przełączającego określa parametr zwany przełączającym napięciem bramki i oznaczany U GT. W żadnym wypadku nie można jednak przekroczyć wartości granicznej makymalnego dopuzczalnego zczytowego napięcia bramki (bramka-katoda) U G(max). Częto najbardziej intereująca dla projektanta jet minimalna gwarantowana wartość U GT(min), określająca makymalne napięcie u GK, przy którym tyrytor nie załączy ię. Niektóre układy terowania nie ą w tanie dotarczyć napięcia równego dokładnie zero wówcza należy 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

20 0 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) przynajmniej zapewnić, aby nie przekraczało ono U GT(min). Wartość ta ma również znaczenie, jeżeli w układzie wytępują ilne zaburzenia. Im wyżza wartość U GT(min), tym mniejze prawdopodobieńtwo niepożądanego załączenia tyrytora poprzez krótkotrwałe podkoki (zpilki) napięcia u GK. Aby umożliwić optymalne dopaowanie obwodu bramki tyrytora do obwodu terowania (realizującego funkcję źródła prądu bramki), tyrytory mniejzej mocy produkowane ą w dwóch eriach: 1) przyrządy tandardowe o tounkowo dużym prądzie i napięciu przełączającym bramki (I GT, U GT), czego zaletą może być odporność na zaburzenia (wyoki próg przełączenia nie pozwala na załączenie zpilkami napięcia lub prądu); ) przyrządy o zwiękzonej czułości bramki (ang. enitive-gate device) lub terowane poziomem logicznym (ang. logic-level device) o nikim prądzie i napięciu przełączającym bramki (1 rzędy wielkości mniejzym niż w przypadku erii tandardowych), czego zaletą jet zmniejzenie mocy trat terowania i możliwość terowania z układów o małej wydajności prądowej, np. bezpośrednio z wyjść układów cyfrowych..3.b. Wyłączanie przez zanik prądu w obwodzie anody Powróćmy do rozważanego otatnio układu, w którym napięcie źródła miało kztałt dodatniej połówki inuoidy (ry. 6). Jego analizę przerwaliśmy w punkcie 3, gdy napięcie zailania oiągnęło makimum. W miarę dalzego upływu czau, napięcie źródła u pada, oiągając w chwili t 4 ponownie wartość u 1. Przyrząd nie wraca jednak w tym momencie do tanu blokowania, gdyż wciąż działa wewnętrzne dodatnie przężenie zwrotne, utrzymujące wyoką koncentrację nośników i wyokie wzmocnienia tranzytorów kładowych α F1 i α F. Oczywiście wraz z dalzym padkiem natężenia prądu anody i A, koncentracja nośników oraz wzmocnienia będą ię zmniejzać. Otatecznie liczba nośników i gętość prądu w tyrytorze taną ię zbyt małe, aby utrzymać ilne dodatnie przężenie zwrotne. Złącze J przetanie być zalane nośnikami nadmiarowymi i przeważy naturalna tendencja do tworzenia obzaru ładunku przetrzennego wokół tego złącza (wynikająca z dodatniej polaryzacji anody względem katody). Napięcie na tyrytorze wzrośnie więc, a ścieżka przepływu prądu na drodze od anody do katody zaniknie w wyniku uunięcia nośników z obzaru przy złączu J. Tym amym tyrytor przejdzie do tanu blokowania. W przykładzie zilutrowanym na ry. 6 natępuje to w chwili t 5. W chwili t 6 układ wraca do tanu początkowego. Mechanizm wyłączania można również analizować w oparciu o zależność (.18). W wyniku zmniejzania prądu truktury, wzmocnienia α F1 i α F padają. W pewnym momencie warunek (.19) przetaje być pełniony (w tanie załączenia napięcie u AK << U D(BO), czyli M J 1), a więc prąd anody pada i tyrytor wyłącza ię. Graniczny prąd anody, przy którym natępuje jezcze podtrzymanie tanu przewodzenia, nazywa ię prądem podtrzymania (ang. holding current) i oznacza I H (patrz ry. 6b, c). Prąd podtrzymania jet typowo kilka razy niżzy od prądu zatrzaku I L. Wynika to z faktu, że dodatnie przężenie zwrotne, o ile już uda ię je uaktywnić, wykazuje (jak widać nie w niekończoność) zdolność amopodtrzymania..3.c. Wyłączanie przez komutację prądu w układzie Zanik prądu tyrytora nie mui wynikać ze padku wymuzenia (np. napięcia zailania) do zera. W dużej części praktycznych układów tyrytorowych jet on powodowany wymuzeniem przez obwód zewnętrzny ujemnego napięcia u AK. Tymczaem tyrytor nie może przewodzić prądu w kierunku wtecznym, mui więc przejść w tan zaworowy. Przykładową ytuację tego typu przedtawiono na ry. 7. Początkowo tyrytor znajduje ię w tanie utalonym przewodzenia, przewodząc prąd o pewnej wartości I F. Natomiat w chwili t 0 z jakiegoś powodu obwód zewnętrzny zaczyna dążyć do wtecznej polaryzacji anoda-katoda napięciem o pewnej wartości U. 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

21 Tyrytory B 1 Wteczna polaryzacja oznacza tan zaworowy tyrytora. Jednakże przyrząd ten cechuje ię dużą bezwładnością, wynikającą z obecności dużej liczby nośników nadmiarowych w centralnym obzarze truktury (P N 1 ry. 3c,. 10). Dopóki nośniki nadmiarowe nie zotaną uunięte i nie utworzy ię przy złączu J 1 ładunek przetrzenny, tranzytor nadal może przewodzić prąd (nawet wtecznie, koro wymuza to obwód zewnętrzny) i nie może zablokować napięcia. Dlatego przejście od tanu przewodzenia do zaworowego nie może być natychmiatowe. W chwili t 1, kiedy prąd oiąga wartość zera, w całym obzarze między złączami J 1 i J 3 wciąż znajdują ię nośniki nadmiarowe, co nie pozwala na powtanie obzaru ładunku przetrzennego, za to pozwala na dalze przewodzenie prądu. Obwód zewnętrzny zawze zawiera pewną indukcyjność, która nie pozwala na zybką zmianę pochodnej prądu po czaie, dlatego prąd z niezmienioną zybkością oiąga obecnie wartości ujemne. Zmniejzenie natężenia prądu, a natępnie zmiana jego zwrotu (czyli przepływ w kierunku przeciwnym do wtrzykiwania) powodują jednak tałe zmniejzanie koncentracji nośników. Otatecznie w chwili t ich koncentracja przy złączu J 1 pada do zera, co oznacza rozpoczęcie tworzenia obzaru ładunku przetrzennego, na którym topniowo odkłada ię napięcie wteczne i który coraz bardziej utrudnia przepływ prądu na drodze anoda-katoda. W chwili t 3 natężenie prądu oiąga tałą, niewielką wartość I wynikającą z prądów upływu złącz, zaś napięcie utala ię na wartości wymuzonej U. Tyrytor znajduje ię więc w tanie zaworowym. Cza t rr upływający od chwili t 1 do chwili t 3 nazywa ię czaem odzykiwania zdolności zaworowej (ang. revere recovery time). Wteczne przewodzenie prądu charakteryzuje ię zwykle za pomocą ładunku przejściowego przy wyłączaniu (ang. revere recovery charge) Q rr = ia d t (.8) t Parametr ten, jako całka (a więc pole zaznaczone na ry. 7), uwzględnia zarówno amplitudę prądu wtecznego, jak i cza jego przepływu. Oiąga on tym więkzą wartość, im więkza wartość prądu w tanie przewodzenia I F oraz im bardziej trome opadanie prądu anody (di A/dt) w chwili jego przejścia przez zero (t 1). rr y. 7. Wyłączanie tyrytora wymuzone komutacją w obwodzie zewnętrznym.3.d. Cza wyłączania W chwili t 3 w środku obzaru centralnego, w pobliżu złącza J, nadal znajdują ię nośniki nadmiarowe, uwięzione w wyniku utworzenia obzaru ładunku przetrzennego przy złączu J 1 i zamknięcia ścieżki przepływu prądu. Mogą one obecnie zaniknąć wyłącznie w drodze powolnego proceu rekombinacji. Dopóki ich koncentracja jet wyoka, nie jet możliwe przejście przyrządu w tan blokowania, gdyż złącze J może bez przezkód zacząć na powrót przewodzić prąd. 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

22 B Przyrządy i układy mocy U. Sterownik fazowy prądu przemiennego (6.0.1) Zmiana polaryzacji napięcia u AK na dodatnią doprowadziłaby więc do przejścia w tan przewodzenia. Cza (nieidentyfikowalny na przebiegach prądu i napięcia), po którym koncentracja nośników wewnątrz tyrytora jet już na tyle mała, że przyłożenie dodatniego napięcia anoda-katoda nie powoduje przejścia tyrytora w tan przewodzenia, ale w tan blokowania, nazywa ię czaem wyłączania (ang. turn-off time) i oznacza t q. Na ry. 7 czaowi temu odpowiada umownie wybrana chwila t 5. Próba polaryzacji tyrytora w kierunku przewodzenia we wcześniejzej chwili t 4 zakończyłaby ię powrotem do tanu przewodzenia (linie przerywane), a więc utratą kontroli nad przyrządem poprzez bramkę. W chwili t 6 możliwe jet już natomiat wytąpienie dodatniego napięcia anodakatoda. Od chwili t 7 tyrytor znajduje ię w tanie utalonym blokowania i może być załączony w poób kontrolowany tj. poprzez impul prądu bramki podany w pożądanym momencie. Wymagania co do czau wyłączania mogą ię znacznie różnić w zależności od aplikacji. Z tego powodu tyrytory produkuje ię w dwóch zaadniczych grupach: 1) tyrytory czętotliwości ieciowej (ang. phae control thyritor) przeznaczone do toowania w układach zailanych z ieci napięcia przemiennego 50 Hz, zwykle o terowaniu fazowym (tąd nazwa angielka). W ich przypadku cza wyłączania jet rzędu 100 µ i częto nie jet nawet podawany w katalogach; ) tyrytory zybkie (ang. high peed thyritor) które mogą być toowane w układach, w których przełączanie łączników półprzewodnikowych odbywa ię z czętotliwością rzędu kilku kiloherców. W ich przypadku cza wyłączania udaje ię zmniejzyć do rzędu 10 µ poprzez zabiegi technologiczne takie jak: zmniejzenie czau życia (czyli w konekwencji czau rekombinacji) nośników, koztem zwiękzenia padku potencjału w tanie przewodzenia, częściowe zwarcie obzaru P bramki z obzarem N katody, koztem zwiękzenia przełączającego prądu bramki, krócenie obzaru N 1, koztem zmniejzenia wytrzymałości napięciowej..3.e. Krytyczna tromość napięciowa Niekorzytną właściwością tyrytorów jet możliwość ich załączenia paożytniczego tj. niepożądanego i wynikającego z wewnętrznej budowy przyrządu. Gdy napięcie na tyrytorze w tanie blokowania wzrata (jak w odcinku czau t 6 t 7 na ry. 7), dochodzi do pozerzenia obzaru ładunku przetrzennego przy złączu J, a więc do zmiany rozkładu pola elektrycznego. Zmiana pola elektrycznego w czaie powoduje powtanie tzw. prądu przeunięcia (ang. diplacement current) J di d E = ε (.9) dt który opiuje ruch nośników, które muzą zotać uunięte dla pozerzenia obzaru ładunku przetrzennego. Uuwane nośniki przeuwają ię w głąb wartwy P do złącza bramka-katoda J 3. Prąd przeunięcia może więc pełnić tę amą rolę, co prąd bramki, o ile tylko oiągnie wytarczająco dużą wartość. Jak wynika z zależności (.9), prąd J di jet tym więkzy, im zybze zmiany pola elektrycznego, a więc im zybze zmiany napięcia anoda-katoda w tanie blokowania du D/dt (patrz ry. 7). Graniczną wartość tej zybkości zmian nazywa ię krytyczną tromością naratania napięcia blokowania (lub krócej krytyczną tromością napięciową, ang. critical rate of rie of blocking voltage) i oznacza (du D/dt) crit. Jej przekroczenie doprowadzi do załączenia tyrytora. Stromość naratania napięcia blokowania ma zczególne znaczenie w układach z obciążeniem indukcyjnym (np. ilniki) oraz pracujących z czętotliwością wyżzą od ieciowej (50 Hz). Natomiat w układach zailanych z ieci 50 Hz i poiadających odbiorniki o charakterze rezytancyjnym lub zbliżonym, zagadnienie to może być z reguły pominięte. 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

23 Tyrytory B 3 W celu ograniczenia tromości naratania napięcia blokowania, touje ię zwykle tłumiki (ang. nubber) w potaci mniej lub bardziej złożonych obwodów C lub CD włączonych równolegle do obwodu głównego tyrytora (anoda-katoda). Można również utworzyć zewnętrzną ścieżkę przepływu prądu, bocznikując złącze bramka-katoda równolegle włączonym opornikiem, jednak zwiękzeniu ulega wówcza przełączający prąd bramki, a więc moc trat. Częściowe zwarcia między bramką a katodą mogą być również wykonane w proceie produkcji tyrytora..3.f. Cza załączania Na koniec przyjrzyjmy ię dokładniej proceowi załączania. We wcześniejzej analizie założyliśmy, że trwa on niekończenie krótko, co było oczywiście uprozczeniem. Typowe przebiegi prądów i napięcia podcza załączania tyrytora przedtawiono na ry. 8. W chwili t 0 rozpoczyna ię impul prądu bramki i G, który w krótkim czaie oiąga amplitudę I GGm. Oczywiście mui być ona więkza od przełączającego prądu bramki I GT. Przepływ tego prądu oznacza zwiękzenie wtrzykiwania elektronów przez złącze J 3 z obzaru N do obzaru P. Część wtrzykniętych elektronów dociera do obzaru ładunku przetrzennego złącza J, którego pole elektryczne porywa je i przenoi do obzaru N 1. Obniża to potencjał tego obzaru, a więc zwiękza dodatnią polaryzację złącza J 1, które intenywniej wtrzykuje dziury z obzaru P 1 do obzaru N 1. Część wtrzykniętych dziur zotaje porwana przez pole elektryczne złącza J i przenieiona do obzaru P, podwyżza jego potencjał i zwiękza dodatnią polaryzację złącza J 3, co prowadzi do jezcze intenywniejzego wtrzykiwania elektronów. y. 8. Przebieg załączania bramkowego tyrytora Oberwujemy więc twierdzony wcześniej mechanizm dodatniego przężenia zwrotnego. Koncentracja nośników rośnie i w chwili t 1 taje ię na tyle duża, że przeważa nad tendencją tworzenia obzaru ładunku przetrzennego przy złączu J. Obzar ten zaczyna ię kurczyć, czego kutkiem jet oberwowane zmniejzenie napięcia u AK. W chwili t obzar ładunku przetrzennego zanika, a złącze J jet zalane nośnikami nadmiarowymi i znajduje ię w tanie przewodzenia. Odcinek czau t 0 t 1 nazywa ię czaem opóźnienia załączania (ang. turn-on delay time), natomiat t 1 t czaem opadania (ang. fall time). Ich uma tanowi cza załączania bramkowego (ang. gate-controlled turn-on time), który typowo wynoi ok. 1 µ. 018 Łukaz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej