O dispositivo e os parâmetros dos tiristores

Um tiristor é um dispositivo semicondutor com três (ou mais) junções p-n, cuja característica de corrente-tensão possui uma seção de resistência diferencial negativa e é usada para comutação em circuitos elétricos.

O tiristor mais simples com duas saídas é um tiristor de diodo (dynistor). O tiristor triodo (SCR) possui adicionalmente um terceiro eletrodo (controle). Ambos os tiristores de diodo e triodo têm uma estrutura de quatro camadas com três junções p-n (Fig. 1).

As áreas finais p1 e n2 são chamadas de ânodo e cátodo, respectivamente, um eletrodo de controle é conectado a uma das áreas intermediárias p2 ou n1. P1, P2, P3- transições entre as regiões p e n.

Uma fonte E da tensão de alimentação externa é conectada ao ânodo com um pólo positivo em relação ao cátodo. Se a corrente Iу através do eletrodo de controle do tiristor triodo for zero, sua operação não difere da operação do diodo. Em alguns casos, é conveniente representar o tiristor como um circuito equivalente a dois transistores, utilizando transistores com diferentes tipos de condutividade elétrica p-n-p e n-R-n (Fig. 1, b).

Figo. 1.Estrutura (a) e circuito equivalente de dois transistores (b) de um triodo tiristor

Como pode ser visto a partir da fig. 1, b, a transição P2 é uma transição de coletor comum dos dois transistores no circuito equivalente, e as transições P1 e P3 são junções de emissor. À medida que a tensão direta Upr aumenta (o que é obtido aumentando a fem da fonte de energia E), a corrente do tiristor aumenta ligeiramente até que a tensão Upr se aproxime de um certo valor crítico da tensão de ruptura, igual à tensão de ativação Uin (Fig. . 2).

Arroz. 2. Características de corrente-tensão e designação convencional de um triodo tiristor

Com um aumento adicional na tensão Upr sob a influência de um campo elétrico crescente na transição P2, é observado um aumento acentuado no número de portadores de carga formados como resultado da ionização de impacto durante a colisão de portadores de carga com átomos. Como resultado, a corrente de junção aumenta rapidamente à medida que os elétrons da camada n2 e os buracos da camada p1 correm para as camadas p2 e n1 e os saturam com portadores de carga minoritários. Com um aumento adicional no EMF da fonte E ou uma diminuição na resistência do resistor R, a corrente no dispositivo aumenta de acordo com a seção vertical da característica I - V (Fig. 2)

A corrente direta mínima na qual o tiristor permanece ligado é chamada de corrente de retenção Isp. Quando a corrente direta diminui para o valor Ipr <Isp (ramo descendente da característica I — V na Fig. 2), a alta resistência da conexão é restaurada e o tiristor é desligado. O tempo de recuperação da resistência da junção p — n é tipicamente de 1 — 100 µs.

A tensão Uin na qual começa um aumento de corrente semelhante a uma avalanche pode ser reduzida pela introdução adicional de portadores de carga minoritários em cada uma das camadas adjacentes à junção P2. Esses portadores de carga adicionais aumentam o número de ações de ionização na junção P2 p-n e, portanto, a tensão de ativação Uincl diminui.

Portadores de carga adicionais no tiristor triodo mostrado na Fig. 1, são introduzidos na camada p2 por um circuito auxiliar alimentado por uma fonte de tensão independente. A extensão em que a tensão de ativação diminui à medida que a corrente de controle aumenta é mostrada pela família de curvas na Fig. 2.

Transferindo para o estado aberto (ligado), o tiristor não desliga mesmo quando a corrente de controle Iy diminui para zero. O tiristor pode ser desligado diminuindo a tensão externa a um determinado valor mínimo, no qual a corrente se torna menor que a corrente de retenção, ou fornecendo um pulso de corrente negativa ao circuito do eletrodo de controle, cujo valor, no entanto , é compatível com o valor da corrente de comutação direta Ipr.

Um parâmetro importante do tiristor triodo é a corrente de controle de desbloqueio Iu on - a corrente do eletrodo de controle, que garante a comutação do tiristor no estado aberto. O valor dessa corrente atinge várias centenas de miliampères.

Figo. 2 pode-se ver que quando uma tensão reversa é aplicada ao tiristor, uma pequena corrente ocorre nele, pois neste caso as transições P1 e P3 estão fechadas. Para evitar danos ao tiristor na direção reversa (o que coloca o tiristor fora de operação devido à quebra térmica do curso), a tensão reversa deve ser menor que Urev.max.

Em tiristores de diodo e triodo simétricos, a característica I-V inversa coincide com a direta. Isso é obtido pela conexão antiparalela de duas estruturas idênticas de quatro camadas ou usando estruturas especiais de cinco camadas com quatro junções p-n.

Arroz. 3. A estrutura de um tiristor simétrico (a), sua representação esquemática (b) e a característica corrente-tensão (c)

Atualmente, os tiristores são produzidos para correntes de até 3.000 A e tensões de ativação de até 6.000 V.

As principais desvantagens da maioria dos tiristores são controlabilidade incompleta (o tiristor não desliga após a remoção do sinal de controle) e velocidade relativamente baixa (dezenas de microssegundos). Recentemente, no entanto, foram criados tiristores nos quais a primeira desvantagem foi removida (os tiristores de bloqueio podem ser desligados usando a corrente de controle).

Potapov LA