Ограничение скорости нарастания прямого тока тиристора при его включении обеспечивается параметрами внешней электрической цепи, куда он подключен.

Современные высоковольтные тиристоры конструируют так, что они выдерживают скорость нарастания анодного тока от 50 до 200 А/мкс. Для специальных целей конструируются тиристоры, выдерживающие существенно большие значения dijdt (около 1000 А/мкс).

С точки зрения электротехники процесс включения тиристора есть переход его из состояния низкой проводимости (большого сопротивления: 0,1 -10 мОм) в состояние высокой проводимости (низкого сопротивления: 1-50 мОм). Из рис. 1.11,6 видно, что между этими состояниями находится область, где дифференциальное сопротивление тиристора отрицательно. Из ВАХ вытекает, что напряжение на приборе является однозначной функцией тока, т. е. тиристор является прибором, управляемым током. Из общей теории отрицательных сопротивлений известно [1.12, 1.13], что такие приборы имеют индуктивный характер реактивности. В [1.13] показано, что эквивалентная схема замещения прибора с положительной связью по току может быть в первом приближении представлена в виде последовательно соединенных сопротивления г и индуктивности L, причем •<0 и i>0. В связи с тем что в современных мощных тиристорах основную часть падения напряжения в открытом состоянии составляет падение на толстой базе структуры, которое, в свою очередь, имеет также индуктивный характер реактивности [1.14], то эквивалентную схему тиристора в процессе включения можно представить в виде последовательно соединенных сопротивлений, изменяющих знак с отрицательного на положительный при переключении, и положительной индуктивности. Рассмотрим процесс включения тиристора на чисто омическую нагрузку R. Так как сопротивление прибора на участке отрицательного сопротивления весьма велико (время, в течение которого rQ пренебрежимо мало), то, используя соотношения \r\:s>R и •<0, получаем

tt*, (1.11)

где Uq-напряжение источника ЭДС.

Формула (1.11) означает, что до момента t* ток при включении тиристора возрастает экспоненциально. В даль- нейшем г становится положительным и намного меньшим, чем R, вследствие чего

/(/)=/*е-«/Ч(1-е-«/*), х>0, (1.12)

; где /* = /(?=/*); x = t-t*, а значение индуктивности обозначено через L*, так как она не равна значению L на участке отрицательного сопротивления. Формулы (1.11) и (1.12) в других обозначениях и полученные другим путем содержатся в [1.14]. В [1.8] показано, что при больших скоростях di/dt и высоком анодном напряжении (более 500 В) значение L можно определить по формуле

L=-pi±, (1.13)

где 12£8oi„5iP5=l,32-10 Ф-см/с. Если, к примеру, „ + = 700 мкм и 5о = 5-10 см (значения, вполне реальные для высоковольтного тиристора), то расчет по (1.13) дает Lx5 мкГн. Это означает, что при включении тиристора с напряжения, например, 1000 В даже в безындуктивном контуре скорость нарастания тока будет не выше 200 А/мкс {U/L), причем ограничивать ее будут физические процессы, протекающие в приборе.

Процесс выключения тиристора. Эффект dUjdt. Под выключением тиристора понимают процесс перевода его из открытого состояния в закрытое (непроводящее) состояние, при котором тиристор способен выдерживать определенное прямое напряжение, прикладываемое с определенной скоростью нарастания dUjdt.

Выключение рассматриваемых в этой книге тиристоров осуществляется по силовой цепи путем приложения к ним обратного напряжения.

Когда полупроводниковая структура тиристора находится в проводящем состоянии, базовые и эмиттерные ее слои содержат избыточный заряд основных и неосновных носителей заряда, определяемый разностью между зарядом подвижных носителей заряда слоев структуры, находящейся в открытом состоянии, и зарядом, который присутствует в этих слоях, когда структура находится в непроводящем состоянии и внешнее напряжение к ней не приложено, при этом все три р-п перехода структуры тиристора смещены в прямом направлении.

При приложении обратного напряжения к тиристору, находящемуся в проводящем состоянии, он переходит из открытого состояния в закрытое за время, необходимое для удаления (рассасывания) накопленного в его слоях избыточного заряда. Зависимости от времени анодных тока и напряжения на тиристоре в процессе его выключения приведены па рис. 1.15.

В момент ?о к тиристору прикладывается обратное напряжение-начало процесса выключения.

На интервале -(рис. 1.15, о) ток через тиристор уменьшается до нуля со скоростью, определяемой приложен-

Рис. 1.15. Типичные зависимости тока и напряжения силового тиристора в процессе выключения (а, б) и схема подключения к внешнему источнику (в)

ным к электрической цепи напряжением и параметрами внешней электрической цепи:

где [dij-/dt)f-скорость спада тока тиристора в открытом состоянии; -напряжение, приложенное к цепи с тиристором; - индуктивность электрической цепи.

В процессе спада прямого тока через тиристор за счет взаимной рекомбинации электронов и дырок происходит уменьшение накопленного избыточного заряда в полупроводниковой структуре тиристора. Этот процесс инерционен, его скорость зависит от многих факторов (в первую очередь, от времени жизни дырок в и-базе) [1.9], и поэтому, как правило, к моменту ti в базовых слоях на границах переходов сохраняется значительный избыточный заряд электронов и дырок, а переходы ji, уз остаются прямосмещенными.

При t>ti через тиристор начинает протекать обратный ток (рис. 1.15, а), нарастающий со скоростью спада прямого тока. Структура тиристора практически не блокирует напряжения, так как в ее слоях имеется еще достаточно большое число избыточных носителей заряда. Протекание обратного тока через структуру способствует дальнейшему уменьшению концентрации избыточных носителей заряда за счет выноса их внешним электрическим полем в добавление к процессу рекомбинации, который продолжается.

. 29