Устройство. Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическая четырехслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На рис. 1 приведены условное обозначение (а), структурная схема (б) и схема замещения (в) выключаемого тиристора.
Рис. 1. Запираемый тиристор:
а — условное обозначение; б — структурная схема; в — схема замещения
Подобно обычному тиристору он имеет катод К, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключаются в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и p-проводимостями.
Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n+. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.
Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.
Анодный слой p+ имеет шунты (зоны n+), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой области п.
Устройство тиристора GTO показано на рис. 2. Основой прибора таблеточной конструкции является кремниевая четырехслойная пластина 1, общий вид которой показан на рис. 3. На ней различимы чередующиеся секторами катодный n+ и базовый p слои. Пластина 1 (см. рис. 2) через термокомпенсирующие молибденовые диски 2 зажата между двумя медными основаниями 4, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью.
Рис. 3. Общий вид кремниевой пластины тиристора GTO
Верхнее основание является анодом прибора, нижнее — катодом. С кремниевой пластиной 1 контактирует управляющий электрод 3, имеющий вывод 6 в керамическом корпусе 5. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения. В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.
Защитные цепи. Использование тиристоров GTO, как и других силовых полупроводниковых приборов, требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массогабаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.
Назначение любой защитной цепи — ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи Св (рис. 4) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dvt/dt при выключении тиристора.
Рис. 4. Схема защитной цепи
Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dit/dt при включении тиристора. Значения dvt/dt и dit/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.
Кроме конденсаторов и дросселей, в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающие заряд и разряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DB, который шунтирует резистор RB при выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RB, ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.
