Тиристор

Тиристор — это полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой (p-n-p-n), обладающий двумя устойчивыми состояниями: закрытым (состояние высокой проводимости) и открытым (состояние низкой проводимости). Тиристор относится к классу ключевых приборов силовой электроники и предназначен для коммутации электрических цепей, управления мощностью и преобразования электрической энергии.

Принцип действия и устройство

Тиристор имеет четырёхслойную полупроводниковую структуру, образующую три p-n-перехода. В зависимости от количества выводов различают диодные тиристоры (динисторы) с двумя выводами и триодные тиристоры (тринисторы, или просто тиристоры) с тремя выводами: анодом (A), катодом (K) и управляющим электродом (G).

В закрытом состоянии тиристор блокирует протекание тока в обоих направлениях. При подаче на управляющий электрод импульса тока определённой величины (относительно катода) тиристор переходит в открытое состояние. После отпирания управляющий электрод теряет контроль над током, и тиристор остаётся открытым до тех пор, пока ток через него не снизится ниже некоторого порогового значения — тока удержания. Для запирания тиристора необходимо либо снизить ток анода до нуля, либо изменить полярность напряжения на аноде и катоде.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления. При прямом смещении (анод положителен относительно катода) тиристор находится в закрытом состоянии до тех пор, пока напряжение не достигнет напряжения переключения (Uп). При превышении этого напряжения тиристор лавинообразно переходит в открытое состояние, и ток резко возрастает, а напряжение на приборе падает до прямого падения напряжения (обычно 1–2 вольта). При обратном смещении тиристор ведёт себя как обычный диод, блокируя ток до напряжения пробоя.

Классификация

Тиристоры классифицируются по нескольким признакам.

По способу управления

• Динисторы (диодные тиристоры) — не имеют управляющего электрода; отпираются при превышении напряжения на аноде выше напряжения переключения.
• Тринисторы (триодные тиристоры) — имеют управляющий электрод; отпираются подачей импульса тока на управляющий электрод.
• Симисторы (триаки, симметричные тиристоры) — способны проводить ток в обоих направлениях; используются для управления цепями переменного тока.
• Запираемые тиристоры (GTO — Gate Turn-Off thyristor) — могут быть выключены подачей импульса тока на управляющий электрод обратной полярности.
• IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) — гибридный прибор, объединяющий тиристор и управляющий полевой транзистор для быстрого запирания.

По мощности и току

• Маломощные тиристоры — ток до 10 А, напряжение до 600 В.
• Среднемощные тиристоры — ток до 100 А, напряжение до 1200 В.
• Мощные тиристоры — ток до 5000 А и более, напряжение до 10 000 В и выше.

По быстродействию

• Стандартные тиристоры — время включения 1–10 мкс, время выключения 10–100 мкс.
• Быстродействующие тиристоры — время включения менее 1 мкс, время выключения менее 10 мкс.

История

Первые теоретические работы по четырёхслойным полупроводниковым структурам были выполнены в 1950-х годах. В 1956 году американские учёные Джон Молл, М. Танака и Р. Холл из Bell Telephone Laboratories опубликовали работу, описывающую принцип работы тиристора. Первый промышленный тиристор был создан компанией General Electric в 1957 году. В СССР первые тиристоры были разработаны в 1960-х годах в Научно-исследовательском институте «Электроника» (г. Воронеж). К концу 1960-х годов тиристоры стали широко применяться в промышленности, заменив электромеханические реле и магнитные усилители в системах управления электроприводами.

Применение

Тиристоры находят широкое применение в различных областях электроники и электротехники.

Силовая электроника

• Регуляторы мощности — тиристорные регуляторы напряжения (ТРН) используются для плавного регулирования мощности в нагревательных приборах, освещении, электродвигателях.
• Выпрямители — тиристорные выпрямители (преобразователи) применяются в источниках питания, зарядных устройствах, сварочных аппаратах.
• Инверторы — тиристорные инверторы используются для преобразования постоянного тока в переменный в системах бесперебойного питания, электроприводах переменного тока.
• Преобразователи частоты — тиристорные преобразователи частоты применяются для регулирования скорости вращения асинхронных двигателей.

Энергетика

• Управляемые выпрямители — в системах электропитания подстанций, линий электропередач постоянного тока.
• Статические компенсаторы реактивной мощности — для стабилизации напряжения в электрических сетях.
• Тиристорные ключи — для коммутации мощных нагрузок в распределительных устройствах.

Транспорт

• Электроприводы — в тяговых электроприводах электровозов, трамваев, троллейбусов, метрополитена.
• Системы управления — в системах зажигания, управления дроссельными заслонками, электронных блоках управления двигателями.

Бытовая техника

• Регуляторы освещения — диммеры на основе тиристоров.
• Стиральные машины — управление скоростью вращения двигателя.
• Электроинструмент — регулировка оборотов дрелей, болгарок, шлифмашинок.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая коммутируемая мощность (до нескольких мегаватт).
• Высокое быстродействие (время переключения до долей микросекунды).
• Долговечность (отсутствие механических контактов).
• Высокий КПД (малые потери в открытом состоянии).
• Возможность работы при высоких напряжениях (до 10 кВ и выше).

Недостатки

• Необходимость в схеме запирания (для обычных тиристоров).
• Чувствительность к перегрузкам по току и напряжению.
• Невозможность плавного регулирования тока в открытом состоянии (работает только как ключ).
• Высокий уровень помех при переключении (из-за резких фронтов тока и напряжения).
• Ограниченная частота переключения (обычно до 10–20 кГц для стандартных тиристоров).

Интересные факты

• Наибольшие тиристоры, выпускаемые промышленностью, способны коммутировать токи до 10 000 А и выдерживать обратное напряжение до 12 000 В. Такие приборы используются в линиях электропередачи постоянного тока (HVDC).
• Тиристоры являются основой для создания силовых модулей — гибридных устройств, объединяющих несколько тиристоров, диодов и управляющих схем в одном корпусе.
• В 1970-х годах в СССР были разработаны тиристоры с водяным охлаждением, способные работать при токах до 5000 А.
• Современные запираемые тиристоры (GTO) могут выключаться током управляющего электрода, что позволяет строить на их основе инверторы без дополнительных коммутирующих цепей.

Источники

• Молл Дж., Танака М., Холл Р. «Четырёхслойные полупроводниковые приборы» // Bell System Technical Journal, 1956.
• Гершунский Б. С. «Тиристоры: устройство, принцип действия, применение». — М.: Энергия, 1975.
• Справочник по силовой электронике / Под ред. В. И. Иванова. — М.: Радио и связь, 1985.
• ГОСТ 19138-82. Тиристоры. Термины и определения.
• «Силовая электроника: от тиристоров до IGCT» // Электротехника, 2005, № 4.