Ηλεκτρόδια Καθόδου Ηλεκτρόδιο Πύλης Ημιαγωγός Επαφή με άνοδο

Θυρίστορ

Περιοχή αρνητικής αποκοπής Περιοχή θετικής αποκοπής Στατική χαρακτηριστική του θυρίστορ Καμπύλη διέλευσης Κρίσιμη τάση αποκοπής Τάση διασπάσεως

Επίδραση της θερμοκρασίας επί του θυρίστορ Καμπύλη διέλευσης Καμπύλη κρίσιμης τάσης αποκοπής Καμπύλη τάσης αρνητικής αποκοπής

Καθορισμός της πτώσης τάσης και των θερμικών απωλειών αγωγής ενός θυρίστορ U 2 = U s + R d I 2 U = U s + R d I ή Γενικά R d = (U 2 -U 1 )/(I 2 -I 1 )

Έναυση Θυρίστορ t gd - Χρόνος καθυστέρησης t gr – Χρόνος διάσπασης t gs – Χρόνος διάδοσης

t gd - Χρόνος καθυστέρησης Είναι ο χρόνος από τη στιγμή που θα δοθεί ο παλμός μέχρι να αρχίσει να ρέει ένα μικρό ρεύμα μεταξύ ανόδου – καθόδου του θυρίστορ. Στο χρονικό αυτό διάστημα πραγματοποιείται η μετακίνηση των φορέων ηλεκτρικού ρεύματος μέσα στο ημιαγωγικό πλακίδιο. Όταν παρέλθει αυτός ο χρόνος αρχίζει η ροή ρεύματος από το εξωτερικό κύκλωμα. Αυτό το χρονικό διάστημα διαρκεί περίπου 1,5 – 300 μs.

t gr – Χρόνος διάσπασης Στο διάστημα αυτό ο μεσαίος pn φραγμός διασπάται, με αποτέλεσμα η τάση ανόδου – καθόδου να μειώνεται στο 0,1u ΑΚ. Στο χρονικό διάστημα αυτό το ρεύμα αυξάνεται γρήγορα καθώς ένα μεγάλο μέρος του ημιαγωγικού πλακιδίου (κυρίως στο μέσο) γεμίζει με φορτία.

t gs – Χρόνος διάδοσης Είναι ο χρόνος στον οποίο παρέρχεται μετά το χρόνο t gr, μέχρι να γεμίσει όλο το ημιαγωγικό στοιχείο με φορτία. Τότε το ημιαγωγικό στοιχείο επιτρέπει να περάσει όλο το ρεύμα που επιβάλει το κύκλωμα ισχύος. Επίσης η τάση ανόδου – καθόδου λαμβάνει την ελάχιστη τιμή αγωγής U ΑΚ = U s + R d I ΑΚ όπως είδαμε στη χαρακτηριστική διέλευσης.

Από τι όμως εξαρτώνται οι χρόνοι που αναφέραμε; Ο Χρόνος καθυστέρησης t gd εξαρτάται από το ρεύμα πύλης καθόδου. Όσο μεγαλώνει το ρεύμα αυτό τόσο ο χρόνος μειώνεται (όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα).

Ο Χρόνος διάσπασης t gr εξαρτάται από τα παραμετρικά στοιχεία του κυκλώματος που ακολουθεί. Αν στο κύκλωμα το οποίο τροφοδοτείται μέσω του θυρίστορ περιέχει επαγωγή, τότε το ρεύμα μέσα από το θυρίστορ καθυστερεί να αυξηθεί ενώ η τάση μειώνεται απότομα στην τιμή 0,1u ΑΚ. Το αντίθετο συμβαίνει όταν έχουμε στο κύκλωμα χωρητικότητα. Τότε το ρεύμα αυξάνεται απότομα και η τάση αρχικά μειώνεται σχετικά γρήγορα όμως, ύστερα καθυστερεί αρκετά. Το ίδιο συμβαίνει όταν συνδεθεί παράλληλα στο θυρίστορ πυκνωτής ή πυκνωτής με αντίσταση. Ο Χρόνος διάδοσης t gs εξαρτάται από τις γεωμετρικές διαστάσεις του πλακιδίου και κυρίως από τη διάμετρο της καθόδου.

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το γινόμενο των στιγμιαίων τιμών της τάσης και του ρεύματος «επάνω» σε ένα θυρίστορ δηλαδή τη στιγμιαία ισχύ του. Το ολοκλήρωμα της στιγμιαίας ισχύος εκφράζει τις θερμικές απώλειες του θυρίστορ. Από το σχήμα φαίνεται ότι οι απώλειες του θυρίστορ αποκτούν μέγιστο το χρονικό διάστημα t gr. Δηλαδή το ημιαγωγικό πλακίδιο στιγμιαία θερμαίνεται περισσότερο κατά το χρονικό διάστημα t gr. Όμως στο διάστημα αυτό η ροή του ρεύματος γίνεται μέσα από ένα στενό κανάλι. Αυτός είναι ο λόγος που η θερμότητα απομακρύνεται δύσκολα (εξαρτάται από τη θερμοχωρητικότητα του ημιαγωγικού πλακιδίου) και αν δεν απομακρυνθεί γρήγορα θα καταστραφεί το θυρίστορ λόγω τοπικής υπερθέρμανσης. Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι η απότομη μεταβολή του ρεύματος di/dt μπορεί να υπερθερμάνει τοπικά το θυρίστορ και να το καταστρέψει. Άρα υπάρχει ένα μέγιστο di/dt πάνω από το οποίο το θυρίστορ καταστρέφεται. Επίσης. Όπως είπαμε όσο πιο γρήγορα αυξάνεται το ρεύμα, τόσο πιο αργά μειώνεται η τάση. Αυτό σημαίνει αύξηση των απωλειών και προφανώς αύξηση της θερμότητας ενός θυρίστορ.

Οι ενδιάμεσες ζώνες ενός θυρίστορ παίζουν το ρόλο πυκνωτή. Έτσι, όταν το du/dt είναι μεγάλο το ρεύμα i = C (du/dt) μπορεί επίσης να γίνει μεγάλο, με αποτέλεσμα την έναυση του θυρίστορ. Όμως, μια τέτοια έναυση συνήθως είναι τοπική με αποτέλεσμα την πιθανή καταστροφή του ημιαγωγικού στοιχείου. Μια ανεπιθύμητη έναυση μπορεί να οδηγήσει στην κακή λειτουργία του μετατροπέα ακόμη και πιθανόν σε κάποιο βραχυκύκλωμα με αποτέλεσμα την καταστροφή των θυρίστορ του μετατροπέα ακόμη και του καταναλωτή ή της πηγής τροφοδοσίας. Τέλος οι κρίσιμες τιμές di/dt και du/dt καθορίζουν τη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας του στοιχείου. Τυπικές συχνότητες ενός θυρίστορ είναι έως 400 Hz, ενώ οι μέγιστες συχνότητες που έχουν επιτευχθεί είναι 2000 Hz. Επίσης, η απότομη μεταβολή της τάσης στους ακροδέκτες ενός θυρίστορ du/dt είναι επικίνδυνη για ένα θυρίστορ. Οι λόγοι είναι οι εξής:

Σβέση Θυρίστορ Λιγότερο επικίνδυνη καθώς το ρεύμα ρέει σε όλο το ημιαγωγικό πλακίδιο. Όμως και τώρα έχουμε θερμικές απώλειες. Ως t 2 το ρεύμα μειώνεται απότομα αλλά συνεχίζει να υφίσταται τοπικά κάποια συγκέντρωση των φορέων. Έτσι, το θυρίστορ είναι σε αγωγή και μπορεί για ένα μικρό χρονικό διάστημα το ρεύμα να ρέει σε αντίθετη κατεύθυνση. Τούτο συμβαίνει μέχρι οι φορείς να μηδενισθούν και έτσι η τάση να μηδενισθεί. Τότε μπορεί η ζώνη pn στην πλευρά της καθόδου να αναλάβει την τάση αποκοπής.

Έτσι το ρεύμα αρχίζει να μειώνεται (χρονική στιγμή t 3 ) και η τάση να γίνεται απότομα αρνητική. Τότε η παράγωγος di/dt γίνεται αρνητική και εφαρμόζεται επάνω στο θυρίστορ το άθροισμα της τάσης u=L( di/dt) των επαγωγιμοτήτων του θυρίστορ και κάποιας εξωτερικής τάσης (π.χ. της πηγής). Συγχρόνως μειώνεται και η συγκέντρωση των φορέων της ζώνης pn κοντά στην άνοδο και έτσι μπορεί να αναλάβει την τάση αποκοπής και αυτή η ζώνη. Το ρεύμα μειώνεται και σχεδόν μηδενίζεται σε λίγα μs μέχρι το ελάχιστο ρεύμα αρνητικής αποκοπής. Πρέπει όμως να προσέξουμε να περάσει ένα χρονικό διάστημα έως ότου εφαρμοσθεί θετική τάση στο στοιχείο. Αν δεν συμβεί αυτό, τότε το στοιχείο μπορεί να ξαναμπεί σε αγωγή χωρίς παλμό, πράγμα ανεπιθύμητο.

Στο χρονικό διάστημα t 3 – t 4 η απότομη μεταβολή του ρεύματος επί των επαγωγιμοτήτων μπορεί να δημιουργήσει υπερτάσεις u=L(di/dt) οι οποίες σε συνδυασμό με κάποια εξωτερική τάση μπορούν να καταστρέψουν το θυρίστορ. Για να αποφύγουμε αυτές τις υπερτάσεις τοποθετούμε παράλληλα με το θυρίστορ σε σειρά πυκνωτή με αντίσταση (ώστε να μειωθούν οι μέγιστες τιμές). Αυτό το κύκλωμα ονομάζεται στα διεθνώς Snubber. Τέλος, για τα θυρίστορ υπάρχουν δύο σημαντικές τιμές ρεύματος που καθορίζουν την έναυση και τη σβέση του στοιχείου. Ρεύμα συγκράτησης – το ελάχιστο ρεύμα κάτω από το οποίο το θυρίστορ θεωρείται πως έχει σβήσει (όταν δεν εφαρμόζεται παλμός στην πύλη). Ρεύμα διατήρησης – το ελάχιστο ρεύμα πάνω από το οποίο το θυρίστορ μένει σε αγωγή (όταν δεν εφαρμόζεται παλμός στην πύλη).

Έγινε μέτρηση σε ένα θυρίστορ και βρέθηκε ότι όταν το ρεύμα μέσα από αυτό αυξήθηκε κατά 10 Α η τάση ανόδου – καθόδου του αυξήθηκε κατά 100 mV. Αν η εσωτερική πτώση τάσης του θυρίστορ είναι U s = 0,8 V τότε πόση είναι η τάση ανόδου – καθόδου του θυρίστορ όταν διαρρέεται από 200 Α ρεύμα; Επίσης, πόση είναι η ισχύς που καταναλώνεται στη μόνιμη λειτουργία όταν το ρεύμα είναι 200 Α;

Καθορισμός της πτώσης τάσης και των θερμικών απωλειών αγωγής ενός θυρίστορ U 2 = U s + R d I 2 R d = (U 2 -U 1 )/(I 2 -I 1 ) P=VI