Тиристоры: типы, работа и мощь кремниевых управляемых выпрямителей (SCR)

Тиристоры — семейство биполярно-проводящих полупроводниковых приборов, построенных из чередующихся n-p-n-p слоёв. Семейство включает кремниевые управляемые выпрямители (SCR), триаки, затворно-выключаемые ключи (GTO), кремниевые управляемые переключатели (SCS), диоды переменного тока (DIAC), унитранзисторы (UJT) и программируемые унитранзисторы (PUT). Статья фокусируется на SCR с кратким упоминанием GTO.

В 1950 Шокли предложил четырёхслойный диод-тиристор. General Electric позже реализовал дизайн, и SCR эволюционировали для работы с уровнями мощности от нескольких ватт до нескольких мегаватт. Мелкие единицы — в корпусах как маломощные транзисторы — коммутируют несколько сотен миллиампер при ~100 В переменного тока. Крупнейшие коммерческие приборы диаметром 172 мм справляются с 5600 А при 10 000 В. Высокомощные SCR могут изготавливаться на пластинах диаметром несколько дюймов.

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

SCR — четырёхслойный диод с затворным выводом. При подаче положительного затворного импульса внутренняя пара транзисторов npn-pnp переходит в проводимое состояние. Положительная обратная связь между двумя транзисторами удерживает открытое состояние даже после снятия затворного импульса. Прибор продолжает проводить, пока анод остаётся положительно смещённым. В постоянном токе проводимость постоянна; в переменном или пульсирующем токе она прекращается, когда напряжение анода падает до нуля — это точка коммутации.

Структура легирования показана на рисунке: катод (n⁺) и анод (p⁺) сильно легированы, а средние n⁻ и p слои — слабо, образуя базы транзисторов. В высокомощных SCR эта структура может охватывать всю пластину.

Символы SCR и GTO показаны на диаграмме: базовый символ диода указывает на однонаправленную проводимость, затворный вывод — на управляемость. Символ GTO имеет двунаправленные стрелки, означающие, что отрицательный затворной импульс может выключить прибор.

Помимо кремния, разрабатываются SCR на карбиде кремния (SiC). SiC предлагает превосходную теплопроводность — вторую после алмаза — позволяя либо меньшие габариты, либо более высокую мощность при повышенных температурах.

Ключевые выводы

• SCR — самый распространённый четырёхслойный тиристор.
• Положительный затворной импульс запускает проводимость, которая сохраняется до падения анодного напряжения до нуля.
• SCR превосходны в приложениях переменного или пульсирующего тока, где требуется непрерывная проводимость.
• GTO можно выключить отрицательным затворным импульсом.
• SCR управляют до 5,6 кА и 10 кВ, что соответствует мегаваттным уровням мощности.

Связанные ресурсы

• Рабочий лист: Тиристоры