1. Tyrystor SCR

Tyrystor SCR jest elementem nie w pełni sterowanym (można go załączyć, ale nie można przerwać za pomocą bramki przewodzenia prądu). Przełączenia tyrystora dokonuje się za poprzez doprowadzenie odpowiedniego sygnału elektrycznego do bramki. Wyłączenie tyrystora następuje gdy prąd anodowy spadnie do wystarczająco małej wartości, w praktyce oznacza to spadek napięcia anodowego prawie do zera. W zależności od polaryzacji napięcia anoda-katoda oraz przebiegu napięcia sygnału sterującego (prądu bramki) tyrystor może znajdować się w jednym ze stanów pracy: zaworowym, blokowania i przewodzenia.

Charakterystyka prądowo - napięciowa tyrystora

Stan zaworowy występuje przy ujemnej polaryzacji anody względem katody. Podobnie jak w przypadku diody, między anodą a katodą tyrystora przepływa mały prąd nasycenia złącza anodowego. Po przekroczeniu napięcia przebicia U_(BR) prąd wsteczny gwałtownie wzrasta i może nastąpić miejscowe zniszczenie struktury półprzewodnikowej.

Stan blokowania występuje przy dodatniej polaryzacji anody względem katody, jeżeli do bramki nie został doprowadzony impuls prądu lub nie zaistniały inne przyczyny mogące spowodować przejście tyrystora w stan przewodzenia. Napięcie blokowania tyrystora, przy którym następuje przełączenie tyrystora przy prądzie bramki I_G= 0, nosi nazwę napięcia przełączania - U_{(BO) .} Pojawienie się na tyrystorze napięcia U_(BO) jest niedopuszczalne, gdyż oznacza w praktyce niekontrolowane załączenie i stan awaryjny układu.

Stan przewodzenia występuje przy dodatniej polaryzacji anody względem katody, jeżeli na skutek doprowadzonego prądu bramki napięcie przełączania tyrystora zmalało poniżej wartości napięcia blokowania. Po przejściu ze stanu blokowania do stanu przewodzenia prąd bramki może zostać zmniejszony do zera, a mimo to między anodą a katodą będzie przepływał prąd przewodzenia I_T , którego wartość zależy od parametrów obwodu zewnętrznego. Na przewodzącym tyrystorze występuje niewielki spadek napięcia tzw. napięcie przewodzenia U_T.

Charakterystyki prądowo-napięciowe bramki U_g = f(I_g) określają właściwości sterownicze tyrystora. Ze względu na oddziaływanie temperatury i rozrzuty wartości poszczególnych egzemplarzy, właściwości określonego typu przyrządu są deklarowane przez wytwórcę dla całej rodziny charakterystyk bramkowych zawartej w obszarze ograniczonym przez krzywe graniczne ( rysunek poniżej). W obszarze tym można wyróżnić następujące przedziały wartości U_g i I_g:

- przedział I, w którym wyzwalanie tyrystora następuje w całym zakresie napięć anodowych i temperatur złącza;

- przedział II, w którym wyzwalanie jest prawdopodobne, ale niepewne;

- przedział III (dla napięć U_g < 1,5 V), w którym wysterowanie bramki jest zbyt małe, aby przełączyć tyrystor w stan przewodzenia.

Charakterystyka bramki tyrystora

W celu zapewnienia poprawnego włączania tyrystora amplituda impulsu bramkowego powinna być nie mniejsza niż czterokrotna wartość minimalnego prądu przełączającego (I_GT), a czas narastania czoła impulsu mniejszy niż czas opóźnienia t_d.

Czas wzrostu prądu przewodzenia t_s i czas t_d praktycznie nie zależą od bramkowego, lecz tylko od parametrów obwodu obciążenia.

Wyłączanie tyrystora - tzn. przejście ze stanu przewodzenia w stan blokowania - następuje po zmniejszeniu przez określony czas jego prądu anodowego poniżej prądu podtrzymania, w wyniku czego zostają usunięte nośniki swobodne ze stref przylegających do złącza środkowego. Zwykle wyłączanie tyrystora następuje wskutek zmiany kierunku napięcia (przemiennego) zasilającego obwód z przewodzącym tyrystorem lub w wyniku przejmowania prądu tyrystora przez inny obwód równoległy.

2. Tyrystor GTO

Tyrystor ten może być włączany przez dodatni prąd bramki i wyłączany przez prąd bramki o kierunku przeciwnym. Tyrystor GTO nie jest odporny na napięcie wsteczne. Tyrystory GTO nie mogą pracować bez układów obciążających i dlatego wszystkie przebiegi w stanach dynamicznych są przedstawione w warunkach współpracy przyrządów z tymi układami.

Przykład układu obciążającego i układu sterującego tyrystora GTO.

Włączenie tyrystora GTO dokonuje się przez doprowadzenie do jego bramki dodatniego impulsu prądowego o określonej stromości narastania czoła i wartości amplitudy. Muszą one być tak duże, aby wszystkie segmenty katody zostały wprowadzone w stan przewodzenia niemal równocześnie, co zapewnia równomierny rozkład prądu w stanach dynamicznych.

.

Wartości prądów potrzebnych do wyłączenia tyrystora GTO w zależności od płynącego prądu obciążenia podane są w poniższej tabelce.

Prąd IT [A]	Impuls IG [A]	Napięcie [V]
50	54,3	1,63
62,5	64,66	1,94
83,3	73,33	2,2
125	87,66	2,63
250	116,6	3,5

Amplitudę impulsu prądowego obliczyliśmy dzieląc napięcie przez opór 30Ω i mnożąc przez 1000.

Amplituda impulsu I_GM musi trwać dostatecznie długo, aby zapewnić zakończenie procesu. Po wprowadzeniu tyrystora w stan przewodzenia w obwodzie bramki musi być utrzymywany prąd ciągły o niewielkiej wartości, co zapobiega wyłączaniu przyrządu w skutek zakłóceń.

Proces wyłączania tyrystora GTO rozpoczyna się po doprowadzeniu do bramki krótkotrwałego impulsu prądowego o wartości ujemnej. Amplituda tego impulsu musi być bardzo duża (1/5 do 1/3 wartości prądu anodowego), ale czas jego trwania jest niewielki (kilka do kilkunastu mikrosekund).

Tyrystor ten może być ponownie włączony dopiero po odpowiednio długim czasie od jego wyłączenia. Po zakończeniu procesu włączania pewien nadmiar nośników mniejszościowych pozostaje w strukturze przez dość długi czas i niektóre segmenty katody mogą mieć większą przewodność niż pozostałe. Po włączeniu tyrystora większa część prądu popłynie przez te segmenty i może spowodować uszkodzenie przyrządu.

2. Tranzystor IGBT

Tranzystor IGBT można zaliczyć do rodzaju bipolarnych z izolowaną bramką. W odróżnieniu od tyrystorów jest on sterowany napięciem a nie prądem. Proces włączania tranzystora jest uwarunkowany strukturą MOS bramki i jest zbliżony do procesu włączania tranzystora polowego mocy z tą różnicą, że czas obniżania napięcia przyrządu jest przedłużony wskutek przewodzenia tranzystora p-n-p przez zakres aktywnej pracy przed osiągnięciem stanu nasycenia. Proces wyłączania rozpoczyna się - podobnie jak w tranzystorach polowych - po obniżeniu się napięcia bramki i rozładowaniu wejściowych pojemności wewnętrznych.

Charakterystykę Uc od f, zdjęta podczas ćwiczeń:

Uc[V]	f[Hz]
3	625
4	500
5	417
7	300
10	200
20	125
56	70

Zaletą tranzystora IGBT jest szybkość działania i prostota układu sterującego. Do wad należy zaliczyć mniejszą odporność na wysokie napięcia i prądy, co ogranicza zastosowanie układów z tranzystorem IGBT w energetyce. Problemem staje się też zabezpieczenie układu, gdyż jest on zbyt szybki dla zwykłego bezpiecznika, wymaga to zastosowania specjalnego układu, który odetnie zasilanie, zanim tranzystor ulegnie zniszczeniu.

3. Wnioski:

Tyrystory SCR należą do prostych układów, jednak wymagają odpowiednich parametrów prądu sterującego, których niespełnienie może prowadzić do uszkodzenia.

Tyrystor GTO umożliwia sterowanie dużymi prądami (pozwala nie tylko na ich załączanie ale i wyłączanie). Wymaga on jednak stosowania dość skomplikowanego układu sterującego i zabezpieczającego.

Tranzystor IGBT jest szybszy i prostszy w działaniu, jednak nie wytrzymuje dużych obciążeń.

2

7

Ocena:

Data oddania:

21.112002 r.

Data wykonania:

07.11.2002 r.

Temat:

Badanie właściwości i układów wyzwalania tyrystorów (SCR i GTO) i tranzystora IGBT. Układy impulsowe prądu stałego.

Rok III, grupa D:

Piotr Kiznar

Laboratorium energoelektroniki

AGH

---