Рассмотрим процесс включения тиристора. Тиристор включается подачей импульса тока на его управляющий электрод. Так как после отпирания вентиля ток управления Iу больше не влияет на его работу, то для управления тиристором применяются кратковременные импульсы (несколько сотен микросекунд). Для четкого включения импульс тока управления должен иметь достаточную крутизну S = 1-5 А/мкс.
Временные диаграммы электромагнитных процессов при включении тиристора приведены на рис. 7.5.
Рис. 7.5. Временные диаграммы электромагнитных процессов
при включении тиристора
При подаче импульса управления (рис. 7.5, а) тиристор переходит из запертого состояния в открытое не мгновенно, так как для инжекции носителей электричества в слои p2 и n1 требуется определенное время. За время включения tвкл (рис. 7.5, б) принимают промежуток времени от момента подачи импульса до момента когда прямое напряжение Uпр уменьшится до 10 % от первоначального значения.
На рис. 7.5 б, в видно, что время включения определяется по выражению:
tвкл = tз + tн , (7.5)
где tз – время задержки;
tн – время нарастания тока.
За время tз прямое напряжение Uпр снижается от 100 до 90 %, а ток Iпр возрастает от 0 до 10 % от установившегося значения. За время tн прямое напряжение Uпр снижается от 90 до 10 %, а ток Iпр возрастает от 10 до 90 % от установившегося значения.
В зависимости от мощности тиристора время включения tвкл = 2-20 мкс.
Физически в течение времени задержки tз происходит первоначальная инжекция электронов из эмиттерной области П2 в базовую область p2. Ток, проходящий через вентиль за это время, увеличивается сравнительно медленно и определяется числом электронов, перешедших через переход П2. За время нарастания тока tн происходит резкое уменьшение сопротивления перехода П2, что вызывает лавинообразное нарастание прямого тока Iпр. Переходный процесс заканчивается с установлением на приборе значения напряжения DUпр, а прямой ток достигает установившегося значения Iпр. С увеличением амплитуды импульса тока управления и крутизны фронта время задержки tз и время нарастания тока tн уменьшаются.
Выключить тиристор можно, уменьшая Iпр ниже значения тока удержания, но в этом случае время запирания будет большим. Чтобы его снизить, к тиристору необходимо приложить обратное напряжение. В этом случае начинается процесс исчезновения носителей электричества из всех слоев за счет их рекомбинации и ухода через p-n-переходы.
Переходные процессы при выключении тиристора
Рассмотрим процесс выключения тиристора. Временные диаграммы электромагнитных процессов при выключении тиристора приведены на рис. 7.6.
Процесс состоит из нескольких этапов:
1) за время t1 происходит уход дырок и электронов из зон, прилегающих к переходам П1 и П3, что вызывает появление в цепи вентиля обратного тока, при этом DUпр еще остается положительным;
2) за время t2 переходы П1 и П3 восстанавливают свои запирающие свойства и обратный ток уменьшается до значения тока утечки Iут обр. Напряжение на тиристоре при этом равно обратному напряжению Uобр (определяется источником тока).
Время (t1 + t2) – время восстановления запирающих свойств вентиля в обратном направлении. Однако, за это время вентиль не восстанавливает свои запирающие свойства при включении в прямом направлении, так как в зонах, прилегающих к переходу П2, имеется еще достаточная концентрация дырок и электронов. Снижение ее осуществляется в результате рекомбинации дырок и электронов и требует некоторого времени t3. Только после этого переход П2 запирается и появляется возможность прикладывать к вентилю прямое напряжение Uпр.
Рис. 7.6. Временные диаграммы тиристора при его выключении
Сумма (t1 + t2 + t3) = tвыкл – время выключения тиристора, или время восстановления запирающих свойств в прямом направлении. Обычно время выключения тиристора много больше времени включения, и именно оно является определяющим при выборе частоты включения тиристоров в преобразователях (tвыкл = 12-250 мкс).
Тиристоры, в зависимости от времени выключения, делятся на девять групп.
Большое значение для работы тиристора имеет скорость нарастания прямого напряжения на закрытом вентиле. Закрытый тиристор подобен конденсатору, через который протекает зарядный ток. Этот ток пропорционален скорости изменения приложенного к нему напряжения и, если он достигает значения тока включения, то возможно открытие тиристора при отсутствии сигнала управления и при условии, что Uпр < Uвкл. Минимальная скорость нарастания прямого напряжения Uпр, при которой происходит включение тиристора, даже при номинальном напряжении и отсутствии сигнала на управляющем электроде, называется критической скоростью нарастания прямого напряжения .
В зависимости от значения критической скорости нарастания напряжения тиристоры делятся на семь групп (от 0 до 6). На электроподвижном составе и тяговых подстанциях применяют тиристоры со значением критической скорости нарастания напряжения ³ 200 В/мкс.
Ограничивается также скорость нарастания прямого тока. В зависимости от этой величины тиристоры делятся на девять групп (от 1 до 9). На электроподвижном составе и тяговых подстанциях применяют тиристоры с значением критической скорости нарастания тока ³ 70 А/мкс.
.
³ 70 А/мкс.