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
Промышленные технологии
- Проектирование и проверка базовой схемы элемента И-НЕ (NAND) на микросхеме 4011
- RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ (NOR): сборка и понимание цифровой памяти
- Сборка RS-триггера с разрешающим входом на элементах NAND: детали, дизайн и работа
- Сборка RS-триггера на элементах NAND: импульсный детектор и дребезг контактов
- Полевые транзисторы с p-n переходом (JFET): направление тока затвора и N-канал vs P-канал
- Транзисторы IGFET (MOSFET): режимы дефицита и усиления
- Разбираем XOR-гейт: функция исключающего ИЛИ в цифровой логике
- Гистерезис в тиристорах: как положительная обратная связь обеспечивает защелкивание
- Гейтовое моделирование в Verilog: от схем к коду
- Полное руководство по тиристору BT151 (SCR): 핀-аут, параметры, применение