Tyristor

Výkonové polovodičové součástky
105
VELKÝ VÝKON
P (kVA)
104
SNADNÉ ŘÍZENÍ
P (kVA)
104
103
102
Thyristor
GTO
1980
101 BJT
MOS
10-1
10-1 100 101 102 104
f (kHz)
P (kVA)
VYSOKÁ FREKVENCE
104
Thyristor
103
GTO
102
BJT
103
102
101
Thyristor
2000
GTO
IGBT
MOS SiC
10-1
10-1 100 101 102 104 105 106
f (kHz)
Tyristor
1990
IGBT
101
MOS
10-1
10-1 100 101 102 104 105
f (kHz)
GTO = Gate Turn-Off thyristor
IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor
1
2
Tyristor
Tyristor
Anoda
1956: Bell Labs – Silicon Controlled Rectifier (SCR)
1958: General Electric – Thyristor
P
A
P+
J1
Anodový přechod
= Závěrný přechod
A
N
C
G
P
3
Gate (řídicí elektroda)G
J2
Blokovací přechod
J3
N+ Katodový přechod
C Katoda
4
Tyristor
J3
A
J1
J2
P
C
P+ P+ emitor
N+
P+
A
J1
Anoda
Tyristor
J2
P
J3
N+ N+ emitor
Gate (řídicí elektroda)G
C Katoda
5
P
G
G
báze P
N++
C
P++
A
G
Koncentrace příměsí
DOTAČNÍ PROFIL
C
P
báze N
N
N
A
P+
P
N
x
6
Tyristor – závěrný směr
Tyristor – režimy činnosti
URRM
0
Anodový (závěrný) přechod J1 polarizován
v závěrném směru ⇒ bariéra pro el. a díry
IG = 0
URRM
0
0
(μA)
IA
-20
-40
-60
⇒ protéká závěrný proud → 0 @ 20oC
až do průrazného napětí URRM
40
20
0
Blokovací
režim
Blokovací režim
-1000
UAK (V)
-500
500
UAK
1000
(V)
1500
b)
-100
-2000
7
b) závěrný směr
R1
-1500
-1000
(μ ) UAK (V)
6
A
UBO
U
0
-60
-80
R
Závěrný směr
-1500
-40
IG = 1 μ A
10mA
-80
-100
-2000
-20
(μA)
Sepnutý
stavstav
Sepnutý
K
-500
0
+
4 +
W (eV)
IA (A)
60
IA
80
2
-
0
+
-2
WC
WV
-4
-6
0
20
40
60
x
260
(μm)
280
8300
Tyristor – závěrný směr
Tyristor – spínání
URRM
Tyristor je čistě spínací součástka!
0
V závěrném směru se k tyristoru chováme
jako k diodě:
Mezní parametr:
URRM
max. špičkové závěrné opakovatelné napětí
Buď je sepnuto, nebo rozepnuto.
Pracovní bod v sepnutém stavu nelze ovládat.
(μA)
-40
IA
-20
-60
-80
-100
-2000
R
6
A
K
b) závěrný směr
R1
-500
0
+
4 +
W (eV)
U
-1500
-1000
(μ ) UAK (V)
2
-
0
Proudovým impulsem (IG)
+
-2
WC
WV
Impulsem optického záření (světla)
Překročením blokovacího napětí UBO
-4
-6
Způsoby sepnutí:
0
20
40
60
x
260
(μm)
280
9300
Překročením hodnoty dUac/dt nebo dIa/dt
Tyristor má
má nejvě
největší proudovou zatí
zatížitelnost
Tyristor – spínání
10
⇒ CROWBAR PROTECTION.
PROTECTION.
Výjimečnost tyristoru:
Po sepnutí zůstává v sepnutém stavu i po odeznění
spínacího impulsu ( pokud anodový obvod dovolí protékání proudu).
To tranzistory neumí
neumí!
ETHERNET SYSTEM
V sepnutém stavu vykazuje nejnižší odpor ze všech
existujících spínacích polovodičových součástek!
Tyristor má
má nejvě
největší proudovou zatí
zatížitelnost.
11
12
Tyristor má
má nejvě
největší proudovou zatí
zatížitelnost
⇒ CROWBAR PROTECTION.
PROTECTION.
Tyristor – blokovací režim
Na anodě plus, na katodě minus, IG=0:
80
Blokovací přechod J2 v závěrném směru
⇒ J2 BLOKUJE průchod nositelů náboje
⇒ neteče proud.
IA (A)
60
40
20
Blokovací režim
R1
0
-
(eV)
R2
2
WC
0
+
-2
c) blokovací režim
R1
-6
WV
-
-4
13
UBO
J2
4
W
Ua < UBO
60500 U2601000(V)
280 1500300
x (μm)AK
-
+
6
A +
K
0
20 0 40
0
20
40
60
260
x (μm)
280
300
14
Tyristor – blokovací režim
Tyristor – blokovací režim
UA = UBO: Nárazová ionizace na přechodu J2 generuje elektrony a díry.
Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje⇒ injekce děr z anody
Elektrony přitahovány na anodu, díry na katodu.
Díry poruší neutralitu prostorového náboje u katody
Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje
⇒ injekce elektronů z katody (kompenzace záporným nábojem)
⇒ injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem)
a
BO
c) blokovací režim
R1
-
(eV)
R2
60
x
260
(μm)
280
R1
300
-
0
2
WC
0
+
-2
-
-4
-6
+
0
20
60
260
x (μm)
K
UUa <=UU
BO
a
40
+ WV
+
280
300
15
BO
c) blokovací režim
R1
40
60
x
260
(μm)
280
300
-
OPN
4
R2
-
20
+
6
A +
OPN
4
W
UUa <=UU
BO
40
+
6
A +
K
20
(eV)
0
W
R1
-
2
WC
0
+
-2
- -
-4
-6
+
0
20
40
60
260
x (μm)
+ WV
+
280
300
16
Tyristor – blokovací režim
Tyristor – blokovací režim
Injekce elektronů z katody a děr z anody se vzájemně stimuluje
⇒ uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby
⇒ zaplavení blokovacího přechodu volnými nositeli náboje
zaplavení tyristoru elektrony a děrami ⇒ sepnutí tyristoru
0
a
(eV)
W
-
BO
260
(μm)
280
-
WC
0
+
-2
- -
-6
+
0
20
60
260
x (μm)
Sepnutý stav
60
+ WV
40
IG = 0
20
Blokovací režim
40
80
300
2
-4
c) blokovací režim
R1
60
x
OPN
4
R2
UUa <=UU
BO
40
+
6
A +
K
20
⇒ pokles odporu mezi anodou a katodou na minimum
IA (A)
R1
Injekce elektronů z katody a děr z anody se vzájemně stimuluje
⇒ uzavření kladné zpětné vazby
⇒ zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje ⇒ sepnutí tyristoru
0
+
280
17
300
Tyristor – blokovací napětí
0
500
UAK
1000
(V)
1500
UBO
18
Tyristor – blokovací napětí
BLOKOVACÍ NAPĚTÍ UBO je anodové napětí UAK při kterém
tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při IG = 0.
BLOKOVACÍ NAPĚTÍ UBO je anodové napětí UAK, při kterém
tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při IG = 0.
UBO
Tento způsob sepnutí je nežádoucí (nelze rozumně ovládat).
= Break-Over voltage
Někdy též nazýváno UDRM
80
80
60
60
IA (A)
IA (A)
Typické hodnoty UBO jsou stovky až tisíce V.
40
IG = 0
20
40
IG = 0
20
Blokovací režim
0
0
500
UAK
1000
(V)
1500
Blokovací režim
0
UBO
19
0
500
UAK
1000
(V)
1500
UBO
20
Sepnutí tyristoru proudem Ig
Tyristor – blokovací napětí
Hlavní obvod zajišťuje plus na anodě, minus na katodě.
Pro IG > 0 sepne tyristor i při nižším napětí než UBO.
Přechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem Ig
tekoucím z Gate do Katody ⇒ injekce elektronů do báze P.
80
Hlavní obvod
6
A
IG = 1μA
Ua
Blokovací režim
500
UAK
1000
(V)
1500
U
BO
d) sepnutý stav
21
Sepnutí tyristoru proudem Ig
Hlavní obvod
d) sepnutý stav
Ig
(eV)
W
Ia
R2
-6
-
0
+
+
-2
0
20
40
60
x
260
(μm)
0
20
40
60
x
260
(μm)
280 22
300
Řídicí obvod
A
2
-6
Ug
6
WC
WV
Ua
Ia
280 23
300
d) sepnutý stav
-
+
4
K G
-4
Ug
-4
-
+
4
K G
-2
WC
WV
+
Díry z anody projdou ke katodě a vyvolají zde injekci elektronů
⇒ uzavření kladné zpětné vazby
⇒ zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje ⇒ sepnutí
sepnutí
Řídicí obvod
A
-
0
Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje
⇒ injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem)
Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje
⇒ injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem)
6
2
Sepnutí tyristoru proudem Ig
Přechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem Ig
tekoucím z Gate do Katody ⇒ injekce elektronů do báze P.
Hlavní obvod
Ig
R2
Ig
(eV)
0
R2
W
0
Ia
K G
(eV)
IG = 0
-
+
4
W
40
20
Ua
Řídicí obvod
Sepnutý stav
IA
(A)
60
-
2
0
-
-
+
+
-2
+
+
WC
WV
-4
Ug
-6
0
20
40
60
x
260
(μm)
280 24
300
Sepnutí tyristoru proudem Ig
Sepnutí tyristoru proudem Ig
uzavření kladné zpětné vazby + zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje
= sepnutí tyristoru (latch-up)
Tento způsob sepnutí je žádoucí (nejdůležitější z možných)
Rozložení koncentrace n=p je shodné jako u diody PIN
(báze N, báze P a J2 zaplaveny) ⇒ obrovská vodivost
UF je typicky 1.7 V
0.2V 0.8V
0.7V
P++
N++
n=p
P+
R2
Ua
Ia
Tyristor lze spolehlivě sepnout
- malým proudem IG
- ze zdroje napětí nízké hodnoty.
R2
P
Ig
N
d) sepnutý stav
Ug
25
x
Sepnutí tyristoru proudem Ig
26
který udrží kladnou zpětnou vazbu.
IL = přídržný proud = Latching current
je minimální hodnota proudu IA, při níž zůstává tyristor v sepnutém
stavu i po zániku řídicího proudu Ig
bezprostředně po přechodu z blokovacího stavu.
60
(A)
Ug
Pozor! Tyristor zůstane trvale sepnut jen pro IA > IL,
80
Sepnutý stav
40
IA
Ig
d) sepnutý stav
Tyristor zůstává sepnut i po skončení spínacího impulsu do Gate.
Kladná zpětná vazba je trvale udržována anodovým proudem IA.
⇒ vypnutí tyristoru je možné jen odstraněním IA.
IG = 0
20
Ia
Ua
80
IG = 1μA
Blokovací režim
P++
R2
Ua
Ia
d) sepnutý stav
Ug
UAK
1000
(V)
n=p
1500
60
UBO
N++
P+
P
Ig
500
(A)
0
Sepnutý stav
40
IA
0
IL
N
IG = 0
20
Blokovací režim
0
27
x
IG = 1μA
0
500
UAK
1000
(V)
1500
U
BO
28
Vypnutí tyristoru
Chceme-li tyristor vypnout, musí IA klesnout pod IH,
kdy dojde k odstranění kladné zpětné vazby.
Vnějšími prostředky:
1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí
IH = vratný proud = Holding current
Cyklové řízení výkonu
je minimální hodnota proudu IA
potřebná k udržení tyristoru v sepnutém stavu.
Ua
U
π
80
2π
Uz
U
IL
π
Sepnutý stav
40
ON
UAC
IA
(A)
60
IG = 0
20
IH 0
IG = 1μA
500
UAK
1000
(V)
1500
29
U
BO
UAC
ON
OFF
π
π
π
OFF
UAC
Ia
π
ON
OFF
2π
F
UAC
2π
ON
π
2π
π
2π
2π
Uz
2π
ON
2π
ON
OFF
OFF
π
Ia
α
31
Phase-angle
Ia
A
Ua
π
2π
Ia
Burst
π
2π
ON
30
Uz
Uz
π
2π
zátěž
Fázové řízení výkonu
2π
Uz
π
Ua
Ua
π
2π
OFF
U
Fázové řízení výkonu
Vnějšími prostředky:
1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí
Ua
π
Burst
Vypnutí tyristoru
Cyklové řízení výkonu
2π
ON
Ia
Blokovací režim
0
OFF
2π
α
π
C
R1
D2
Rg
G
D1
C
R1: pro Rg=0 chrání přechod G-K (IFAV)
OFF D1: ochrana přechodu G-K (UBR)
D2: aby Rg nemělo vliv na nabíjení C
zápornou půlvlnou
C: tyristor sepne po nabití na
Uc= UD1 + UGK= 0.7 + 0.8 =1.5 V
Rg: nastavuje časovou konstantu Rg·C
2π
32
Vypnutí tyristoru
Vypnutí tyristoru
Vnějšími prostředky
2. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí
Vnějšími prostředky
2. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí
a)
a)
Ia
UAC
C
UAC
-
Ty1
b)
+
Ia
C
+
UC
-
Ty2
+
USS
+
UC
-
zátěž
C
Ty5
Ty3
-
Ty4
c)
komutace = obrácení polarity anodového napětí
(obdoba závěrného zotavení diody)
ITM
IT (A)
IRM
trr
UT (V)
UT
t (μs)
tq
du/dt
t (μs)
33
34
Vypnutí tyristoru
Vypnutí tyristoru
Vnějšími prostředky
2. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí
Vnějšími prostředky
2. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí
a)
Ty1
b)
+
Ia
UAC
C
-
Ty2
USS
+
UC
+
-
zátěž
C
Ty5
Ty3
-
Ty4
c)
ITM
IT (A)
IRM
trr
UT (V)
UT
t (μs)
tq
du/dt
t (μs)
35
36
Vypnutí tyristoru
Volba tyristoru – mezní a char. parametry
Samotným tyristorem
vypínací tyristor GTO (Gate Turn-Off)
Sepnutí kladným proudem IG
Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů URRM, UBO, IFAV danými zatížením tyr.
Uz
Vypnutí záporným proudem IG
URRM není podstatné (jen propustný směr)
b)
N
A
TE
A
TO
N+
IGR
GTO
G
K
TE
G
A
P
sepnutí GTO
Uss
IGR
ION
ANODA
UT
V sepnutém stavu bude:
Uz = Ua – UT = 400 – 1.7 ≈ 400 V
IFAV = Pz / Ua = 1000 / 400 = 2.5 A
RCD ochrana
GATE
P
P+
UFG
SON RON
1 kW
Ua =400V
UBO > 400 V
c)
zátěž
D
A
a)
IFAV
Příklad: zvolte tyristor pro Ua = 400V, Pz = 1000W
KATODOVÉ
SEGMENTY
vypnutí GTO
SOFF
URG
37
LOFF
Volba tyristoru – mezní a char. parametry
Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů URRM, UBO, IFAV danými zatížením tyr.
IFAV = 2.5 A, UBO = 400V, URRM nehraje roli
38
Sepnutí tyristoru impulsem optického záření
Proud IG nahradíme zářením dopadajícím na přechod J3 (G-K)
Uz
IFAV
Příklad: zvolte tyristor pro Uaef = 230V~, Pz = 1000W
URRM > 230·√2 = 325 V
UBO > 325 V
1 kW
Absorpce záření na J3 způsobí vznik
fotoproudu, který působí jako IG
UT
Ua =230Vef
Tyristorem teče proud jen jednu půlvlnu sinusového průběhu (:2)
IFAV ≈ IFef = Izef ≈ (Pz / Uaef) / 2 = (1000 / 230) / 2 ≈ 2.2 A
IFAV = 2.2 A, UBO = 325 V, URRM = 325 V
Přechod J3 (gate-katoda) má průrazné napětí do 5V !
⇒ je nutné jej chránit proti průrazu ochrannou diodou!
Wg
39
záření přivádíme do tyristoru světlovodem
⇒ galvanické oddělení
Light Triggered Thyristor – LTT
pro napětí URRM = 7 – 10 kV
40
Back to back link
Light Triggered Thyristor – LTT
LTT
250 kV dc LTT - HVDC link
41
OPTOTRIAC (Dvojitý optotyristor)
42
Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dUac/dt (dIa/dt)
Strmý nárůst blokovacího napětí ⇒ rychlé rozšíření OPN
⇒ vznik kapacitního proudu vyklízením volných nosičů z OPN
⇒ uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby
⇒ zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje
⇒ SEPNUTÍ TYRISTORU při UAK « UBO
R1
0
+
40
(eV)
W
-
60
x
260
(μm)
c) blokovací režim
R1
300
-
2
WC
0
+
-2
-6
WV
-
-4
43
280
OPN
4
R2
Ua < UBO
20
+
6
0
20
40
60
260
x (μm)
280
44
300
Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dUac/dt (dIa/dt)
Tyristor - shrnutí
je nežádoucí způsob sepnutí
Nekontrolovatelné!
U velkoplošných tyristorů může způsobit lokální proudové přetížení!
(tyristor sepne jen u řídicí elektrody a než se anodový proud rozšíří
laterálně po celé ploše, lokální proudové přetížení roztaví křemík)
R1
0
60
x
260
(μm)
300
-
(eV)
W
Tyristor zůstává sepnutý i po odeznění spínacího impulsu,
protéká-li anodový proud větší než přídržný proud IL.
Tyristor je sepnutý, dokud jím protéká anodový proud
větší než vratný proud IH.
2
WC
0
+
-2
-6
WV
-
-4
c) blokovací režim
R1
280
4
R2
-
40
+
6
+
Ua < UBO
20
Tyristor spínáme
• proudovým impulsem (IG) nebo
• impulsem optického záření (infračervené záření nebo světlo).
0
20
40
60
260
x (μm)
280
300
45
Tyristor vypínáme
• poklesem anodového proudu pod IH (≈ obvody),
• komutací anodového napětí (= obvody),
• záporným impulsem do gate (jen GTO tyristor) 46