Státnice z elektroniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 4
Tyristory, triaky

4.1  Diak

Diak je nejjednodušší spínací polovodičová součástka z hlediska technologického provedení i z hlediska obvodového. Jedná se o souměrnou třívrstvou strukturu PNP nebo NPN se dvěma přechody PN, které vykazují stejné vlastnosti (protože se jedná o souměrnou strukturu). Vzhledem k tomu, že struktura diaku je symetrická, musí být symetrická i jeho VA charakteristika. Její tvar je dán funkcí diaku, která je následující.

Přivedeme-li na diak vnější napětí U a to bez ohledu na jeho polaritu, pak vždy jeden z přechodů je v propustném a druhý v závěrném stavu. Technologicky se struktura diaku vytváří tak, aby vodivost obou krajních oblastí byla větší než střední oblasti. To znamená, že závěrně polarizovaný přechod (a tedy jeho oblast prostorového náboje) se rozšiřuje směrem do střední oblasti. Aby diakem při polarizaci vnějším napětím procházel proud, musí klesnout odpor střední části struktury, což znamená, že musí dojít k zaplavení oblasti prostorového náboje volnými nosiči. Pokud je vnější přiložené napětí U < UB0, je sice přechod polarizován do přímého směru, avšak jím injektované díry ještě nedosahují vyčerpané oblasti druhého přechodu. To znamená, že odpor druhého přechodu nemůže klesnout, a součástkou protéká jen velmi malý proud I < IBO, který je v podstatě saturačním proudem druhého přechodu. Při růstu vnějšího napětí se rozšiřuje vyčerpaná oblast a blíží se k prvnímu přechodu. Proud I vzrůstá přibližně lineárně s růstem U až do té doby, nežli U ≈ UBO, kdy injektované díry propustně polarizovaným prvním přechodem prodifundují do oblasti prostorového náboje druhého přechodu a „zaplavují ji“. Protože na přechodu polarizovaném v závěrném stavu je poměrně vysoká hodnota elektrického pole, způsobí toto pole urychlení injektovaných nosičů. To má za následek rychlé zvýšení vodivosti původně vyčerpané oblasti druhého přechodu. Tím se snižuje odpor celé struktury, začíná na ní klesat napětí a následně roste hodnota proudu protékajícího diakem – diak sepnul. Při změně polarity vnějšího napětí si první a druhý přechod vymění funkci a diak spíná při opačné polaritě U.

4.2  Tyristor

Nejčastěji má 3 PN přechody a 4 vrstvy, plným názvem zpětně blokující triodový tyristor. Pod pojmem tyristor obecně chápeme výkonový polovodičový spínací prvek, který může pracovat v propustném, blokovacím a závěrném stavu. Nejdůležitější změnou mezi jednotlivými stavy je změna ze stavu blokovacího do propustného, která se ovládá řídícím signálem – nejčastěji proudem přiváděným do řídící elektrody. Zbývající dvě elektrody nesou označení – podle polarity přivedeného vnějšího napětí anoda a katoda.

Pokud je tyristor polarizován do závěrného směru (katoda je na vyšším potenciálu než anoda), tyristorem neprochází proud a chování tyristoru v závěrném směru je shodné s diodou polarizovanou vnějším napětím do závěrného směru. Pokud je tyristor polarizován vnějším napětím do propustného směru a není-li na řídící elektrodu přiveden signál, tyristor se nachází v blokovacím stavu a neprochází jím (narozdíl od diody) proud. Teprve přivedením signálu na řídící elektrodu tyristorová struktura spíná a chová se jako dioda polarizovaná do přímého směru. To znamená, že strukturou prochází značný proud vyvolávající na ní jen minimální úbytek napětí (až 2 V).

Šířky jednotlivých vrstev polovodiče jsou různé, oblast anody a katody je tvořena silně dotovaným polovodičem. Nejdelší, střední oblast mezi prvním a druhým přechodem je velmi slabě dotována aktivními příměsemi, což znamená, že její měrný odpor je velký, ve srovnání s ostatními vrstvami. To vede k tomu, že oblast prostorového náboje prvního přechodu je situována ve druhé vrstvě, podobně jako oblast prostorového náboje druhého přechodu. Protože koncentrace aktivních příměsí ve třetí a čtvrté polovodičové vrstvě se liší jen málo, zasahuje oblast prostorového náboje třetího přechodu přibližně souměrně do obou polovodičů.

4.2.1  Závěrný stav

V tomto případě bude na anodu tyristoru připojen záporný pól a na katodu kladný pól vnějšího zdroje. Poznamenejme, že v tomto případě nesmí být na řídící elektrodu G přiváděn žádný signál (UGK = 0). Protože A je polarizována záporně vůči K, první a třetí přechod jsou polarizovány v závěrném směru, zatímco druhý přechod je v propustném stavu. Ochuzené oblasti prvního a třetího přechod se proto rozšíří (dochází k extrakci minoritních nosičů náboje), druhý přechod však minoritní nosiče náboje injektuje. Ochuzená oblast prvního přechodu bude nejširší, takže téměř celé napětí vnějšího zdroje bude na prvním přechodu. Proto první přechod určuje závěrné vlastnosti tyristoru.

4.2.2  Blokovací stav

V případě, že na A připojíme kladný pól a na K záporný pól vnějšího zdroje, bude první a třetí přechod polarizován v propustném směru a druhý přechod ve směru závěrném.

4.2.3  Propustný stav

Vyjděme z blokovacího stavu. Kdyby se oblast druhého přechodu (v blokovacím stavu polarizován závěrně) zaplavila volnými nosiči náboje tak, že jejich koncentrace postačí ke kompenzaci ionizovaných příměsí v oblasti druhého přechodu, došlo by k podstatnému zúžení ochuzené oblasti druhého přechodu a tím k přepolarizaci tohoto přechodu do propustného stavu. Protože nechceme, aby k sepnutí tyristoru došlo samovolně (neřízeně), je nutné pro sepnutí využít řídící elektrodu G.

Připojíme-li na řídící elektrodu napětí proti K tak, aby byl třetí přechod mezi řídící elektrodou a katodou polarizován v propustném směru, začne řídící elektrodou procházet proud IG.

Přepolarizací druhého přechodu klesá úbytek napětí na celé čtyřvrstvé struktuře na malou hodnotu (řádově kolem 1 V). Na této hodnotě potom setrvá tak dlouho, dokud proud procházející tyristorem nepoklesne pod hodnotu vratného proudu IH, a to i v tom případě, že řídící proud IG se zmenší na nulu.

4.2.4  Vypínání tyristoru

Přechod tyristoru ze sepnutého (propustného) do stavu blokovacího docílíme tím, že snížíme hodnotu protékajícího proudu tyristorem pod hodnotu vratného proudu IH. Další způsob vypínání tyristoru je krátkodobá komutace proudu IF do závěrného směru IR. Pokud je tyristor zapojen v obvodu střídavého proudu, pak k vypnutí dochází v každé periodě pracovního napětí UAK. Je-li tyristor zapojen v obvodu stejnosměrného proudu, je nutno vypnutí zabezpečit vnějšími obvody. Bezprostředně po proudové komutaci bude blokovací přechod a řídící přechod nasycen volnými nosiči, které představují určitý náboj. Po dobu, dokud se tento náboj ze struktury tyristoru neodčerpá, bude se chovat tyristor stejně jako v sepnutém stavu. Doba potřebná pro odčerpání náboje se nazývá vypínací doba .

4.3  Triak

Triak je pětivrstvá struktura NPNPN nebo PNPNP spínající při obojí polaritě střídavého napětí. Její činnost lze znázornit sériovým zapojením příslušně čtyřvrstvé struktury PNPN a přechodu PN polarizovaného v závěrném směru. Je vidět, že vždy jeden krajní přechod PN je polarizován v závěrném směru (dioda), kdežto druhý krajní přechod je součástí čtyřvrstvé struktury a je zapojen v propustném směru a jedná se vlastně o tyristorovou strukturu polarizovanou do blokovacího, resp. propustného stavu. Je tedy vidět, že pětivrstvá struktura může působit jako čtyřvrstvá pro obojí polaritu přiloženého napětí. Usměrňující jeden krajní přechod PN by byl však v sepnutém stavu nevýhodný, protože by na něm vznikal velký úbytek napětí, takže by byl značně tepelně namáhán. Proto se oba krajní přechody vytvářejí tak, aby jejich odpor v závěrném stavu byl minimální. Toho se dociluje tím, že se krajní přechody vytvoří jako zkratované přívodní elektrodou.

4.4  Vypínací GTO tyristor

Zkratka GTO znamená gate turn off. Je to tyristor, který je možné zapnout i vypnout proudem řídící elektrody. Pro zapnutí se využívá kladný, pro vypnutí záporný řídící impulz. Charakteristika v přímém směru je totožná s běžným triodovým tyristorem. V závěrném směru, v důsledku částečného zkratování PN přechodu na anodové straně, je identická s asymetrickými a zpětně vodivými tyristory. Jedním z nejdůležitějších parametrů je vypínací zesílení . Podmínkou vypínacího procesu je, aby proud báze 2 (vychází z dvoutranzistorového modelu tyristoru) byl menší než kolektorový proud odpovídající proudovému zesílení (IB2 < IC2 / β2), jinými slovy, abychom dosáhli proudem řídící elektrody IG pokles anodového proudu tyristoru IA pod hodnotu vratného proudu. V praxi dosahuje vypínací zesílení hodnot 3 až 5.

Napěťové a proudové parametry vypínacích tyristorů běžně dosahují hodnot 4,5 kV, 3 kA při vypínacím čase 10–50 μs (narůstá se zvyšováním napětí). Tato hodnota platí pro asymetrické typy, zpětně závěrné typy dosahují asi poloviční hodnoty. Vypínací GTO tyristory jsou určené především pro trakční aplikace a těžké průmyslové pohony, kde instalované výkony přesahují 500 kW.

Podmínkou pro možnost vypnout součástku (GTO i IGCT) řídícím elektrickým impulzem je rozčlenění její katody do velkého množství paralelně zapojených katodových (emitorových) elementů („prstů“), z nichž každý je obklopen řídící elektrodou. Vypínání se dosahuje zrušením kladné zpětné vazby (na dvoutranzistorovém náhradním schématu) přiložením záporného napětí na řídící elektrodu G vzhledem ke katodě K. Každý katodový element vypíná postupně od svého obvodu, což způsobuje zvětšování hustoty proudu (na dráze anoda-katoda) do stále užších proudových vláken. Tento jev je označován jako filamentace . Následkem zvětšené proudové hustoty dochází k oteplování, což vede k lokálnímu oteplování a způsobuje jistá rizika (při rozvinutí jevu by mohlo dojít až k destrukci součástky). Uvedené riziko lze odstranit připojením odlehčovacího obvodu pro vypínání paralelně k vypínané součástce (jádrem je nenabitý kondenzátor, který odvede část vypínaného proudu mimo součástku, resp. zmenší rychlost nárůstu blokovacího napětí). Po zániku katodového proudu je však součástka GTO ohrožena proudem doznívání (proud zprostředkovaný volnými nosiči, které difundovaly z vrstvy N1 do ochuzené oblasti přechodu J2, anglicky tail current) itail.

4.5  IGCT (integrated gate-commutated thyristor)

IGCT je v podstatě velmi „tvrdě komutovaný“ (tj. extrémně rychle vypínaný) vypínací tyristor GTO. Součástka IGCT je složena ze dvou základních částí: tyristorové struktury GCT a z řídícího obvodu, ke kterému je pastilka GCT připojena co nejtěsněji proto, protože pro řádnou funkci GCT musí být strmost nárůstu řídícího vypínacího proudu iRG extrémně vysoká (proto vlastní [parazitní] indukčnost zdroje řídících vypínacích impulzů, včetně přívodů, musí být snížena na proveditelné minimum). Na dvoutrnazistorovém náhradním schématu se vypínací proud iRG zvětšuje tak strmě, že „dříve než se výrazně změní rozložení nábojů na jednotlivých přechodech tyristorové struktury, je celý anodový proud IA skokově převeden do řídící elektrody G“. Vypínání GCT součástky je tak převedeno na vypnutí druhého tranzistoru, což je principiální rozdíl proti vypínání součástky GTO. Proto je vyloučena filamentace a problémy s ní spojené, není omezena strmost nárůstu blokovacího napětí, není zapotřebí odlehčovací sítě, jsou zmenšeny vypínací ztráty. Kromě toho je významně zkrácena vypínací doba.