Hagyományos tirisztorok

A bevezető felszínre hozta, hogy a 4.28. ábra jobboldali részén bemutatott Shockley-féle „p-n-p-n”

struktúra mindössze két elektródával van ellátva, az A anóddal és a K katóddal (előbbi a külső p, utóbbi a külső n réteghez kapcsolódik), vagyis nem vezérelt, nem vezérelhető eszköz. A hagyományos tirisztor úgy lett kifejlesztve, hogy a két szélső elektródán kívül az eszközt ellátták egy harmadik elektródával is. A harmadik elektróda a katód-oldali belső p réteghez csatlakozik, jele G és általában kapu vagy rács elektróda névvel illetik. A kapu elektróda a vezérlő elektróda szerepét látja el a tirisztorban. A kapu elektróda kialakításával létrehozott tirisztor egy úgynevezett félig vezérelhető aktív elektronikus eszköz.

A tirisztor működése és jelleggörbéi mélyrehatóan vizsgálhatóak a félvezetőelemek vezetésének fizikai alapjaiból kiindulva, [11], [13], [49], [50], [57]. Egy mechatronikai vagy villamosmérnök számára, aki felhasználója ezen elemeknek, elégséges egy egyszerűbb tárgyalási mód is, mely kellően intuitív a tirisztor működése szempontjából. Ehhez kiindulhatunk a tirisztor felépítéséből, melyet a 4.29. ábra szemléltet.

4.29. ábra. A hagyományos tirisztor p-n-p-n rétegszerkezete és kivezetései 42

A struktúra egyszerűsített változata a 4.30. ábra baloldali részén látható. Észrevehetjük, hogy a tirisztort úgy is felfoghatjuk, mint két bipoláris tranzisztor kapcsolatát, ahol a felső tranzisztor p-n-p típusú, míg az alsó n-p-n típusú, amit az az ábra középső és jobboldali részén látható:

4.30. ábra. A tirisztor p-n-p-n rétegszerkezete, felbontása p-n-p és n-p-n részre és bipoláris tranzisztoros helyettesítő kapcsolása

A tirisztor anódja a felső tranzisztor emitteréhez csatlakozik, míg a katódja az alsó tranzisztor emitterével esik egybe. A tirisztor kapuja az alsó tranzisztor bázisához, illetve a felső tranzisztor kollektorához kapcsolódik. Érdemes azt is észrevenni, hogy az egyik tranzisztor kollektorárama a másik tranzisztor bázisárama is egyben. A 4.31. ábra az anód-katód kimeneti statikus jelleggörbét szemlélteti egy hagyományos tirisztor esetében, valamint fel lettek tüntetve az ábra alsó részén a tirisztorok leggyakrabban használt áramköri jelei is. A 4.30. ábra és a 4.31. ábra együttesen elegendő a hagyományos tirisztorok tulajdonságainak magyarázatára, a vezérelhetőséget is beleértve.

4.31. ábra. A tirisztor UA-IA jelleggörbéi UBD kapufeszültség függvényében, valamint a használatos áramköri jelei

Ha az anód-katód feszültség negatív, akkor a tirisztor a harmadik síknegyedben működik. Ilyenkor a JK

és JA p-n átmenetek záróirányban vannak előfeszítve, ami miatt a tirisztor hasonlóan viselkedik, mint a záróirányban előfeszített félvezető diódák. Ha az anód-katód feszültség pozitívvá válik, akkor a statikus munkapont az első síknegyedbe vándolor. Ebben az esetben a középső JM átmeneten (mint záróirányban bekötött p-n átmeneten vagy diódán) esik gyakorlatilag a teljes anód-katód feszültség.

A tirisztor ilyenkor még lezárt állapotban van, csak az IRD kis értékű nyitóirányú szivárgási áram folyik keresztül rajta. A 4.30. ábra jobboldali része szerint ez az áram éppen a szivárgási áramoknak az összege (ICB0), a két kollektor-bázis átmenetnek a helyettesítő körben. Ha a direkt irányú polarizálás nő, akkor nőnek ezek a szivárgási áramok is. Az UBDmax billenő feszültségnél, amit még önbegyúló feszültségnek is nevezünk, az egyik tranzisztor szivárgási árama a kollektor-bázis kör visszirányú

43

előfeszítésénél, mely ugyanakkor a másik kiegészítő tranzisztor bázis-emitter árama is, elég nagy lesz ahhoz, hogy az alsó tranzisztort az aktív zónába vigye. De az ő kollektor árama éppen a bázisárama a felső tranzisztornak, mely tovább növekszik és telítésbe kezdi vinni mindkét tranzisztort. A leírt folyamat a négyrétegű p-n-p-n struktúrák sajátossága és belső pozitív visszacsatolásnak is nevezik.

Ennek a pozitív visszacsatolásnak köszönhetően végül mindkét tranzisztor telítésbe kerül, aminek következtében a munkapont a jelleggörbe 3-as szakaszáról a 4-es szakaszon keresztül az 5-ös szakaszra vándorol, és a tirisztor vezető állapotba kerül. A kialakuló IA áram az eszközön keresztül az alkalmazott előfeszítéstől és a tirisztorral sorba kapcsolt más áramköri elemektől függ. Az anód-katód feszültség egy kis értékre esik vissza, mely voltos nagyságrendű a tirisztor felépítésének és a tokozásnak megfelelően. A zárásból vezetésbe történő átmenet során a pozitív visszacsatolásnak köszönhetően a 4-es szakaszon megy át, ahol az anód-katód differenciális ellenállás negatív.

A vezérlő elektróda jelenléte megengedi a fentebb említett pozitív visszacsatolás folyamatának kívülről történő beindítását a billenő feszültségnél kisebb anód-katód feszültség mellett is.

Ténylegesen a tirisztor vezérlő áramköre nem más, mint a felső npn-tranzisztor bázis-emitter köre.

Egy kis IG1 áram injektálásával az UBDmax billenő feszültségnél kisebb UBD1 feszültségen is képes lesz az eszköz begyújtani. Minél nagyobb áramot injektálunk a rácson, annál kisebb lesz az eszköz UBD

gyújtási feszültsége. Begyújtás után a vezérlő kör áramára már nincs szükség, mert a belső pozitív visszacsatolás mindkét tranzisztort telített állapotban tartja.

A tirisztor lezárása csak az anódáramnak az IH tartóáram értéke alá történő csökkentésével érhető el, de nem lehet a munkapontot az 5-ös jelleggörbe szakaszról közvetlenül a 3-as szakaszra vinni. A nyitóirányú zárási állapotot csak egy közbeiktatott záróirányú előfeszítés létrehozás után lehet elérni.

A fentiekből következik, hogy a rács-katód kör segítségével csak a tirisztor begyújtását tudjuk irányítani, a tirisztor lezárásához más módszerre van szükség. Ezért mondjuk, hogy a hagyományos tirisztor csak egy félig vezérelhető elektronikus eszköz.

A 4.32. ábra a rács-katód kör statikus jelleggörbéjét mutatja. A rácsáramkör egy p-n átmenetű diódájának felel meg, mely normális esetben nyitóirányú előfeszítéssel működik. Technológiai okokból az átmenet paraméterei széles határok között mozognak. A legjobb példányok a 4.32. ábra alsó jelleggörbéjének, míg a gyengébbek, melyek nagy feszültséget kívánnak meg, ugyanolyan rácsáram eléréséért, a felső jelleggörbének felelnek meg. A statikus működési pontot e két határgörbe között kell megválasztani anélkül, hogy túllépnénk a megengedett vezérlési teljesítményt.

Következésképpen a vezérlő kör statikus munkapontját ajánlatos a gyújtási jelleggörbe közepére választani.

44

4.32. ábra. A rács-katód kör statikus jelleggörbéje, feltüntetve a különböző környezeti hőmérsékletek esetén megengedett működési tartományokkal

A fentiek alapján levonhatjuk azt a következtetést, hogy a tirisztorok olyan elektronikus eszközök, melyek nem erősítenek és csak kapcsoló üzemben működhetnek két stabil állapottal: a lezárt és a vezető állapottal.

4.33. ábra. A hagyományos tirisztor bekapcsolási folyamata, a vezérlő iG kapuáram, az eszközön eső UA feszültség és a rajta átfolyó iA áram, valamint a P kapcsolási teljesítmény

A nyitóirányú kommutáció a tirisztor bekapcsolási folyamatát jelenti a nyitóirányú előfeszítés esetén.

Ezt a begyújtási folyamatot elméletileg négy különböző módon lehet előidézni. Az első mód, az önbegyújtás, amikor a pozitív előfeszítés meghaladja az UBDmax billenő feszültséget. Az eszköz túlmelegedése és a veszteségek megnövekedése miatt elkerülendő, oly módon is, hogy a katalógusban megadott névleges adatokkal kell tervezni, [6], [7], [10], [11]. A második mód:

Nyitóirányú kommutáció a lezárt tirisztorra kapcsolt nagy direkt irányú feszültségmeredekség miatt.

Ez a jelenség főleg a közbenső átmenet kapacitásának köszönhető, melyen keresztül megjelenik egy kapacitív áram, mely virtuális vezérlő áramként viselkedik és beindítja a pozitív visszacsatolási jelenséget a p-n-p-n struktúrában, [6], [7], [10], [11]. A harmadik mód a nyitóirányú kommutáció vertikális vezérléssel: a rácsba injektált áram nagyságával akarjuk a gyújtási feszültséget szabályozni.

Minél nagyobb ez az áram, annál kisebb a gyújtási feszültség. De mivel a vezérlő jel általában gyenge, a negatív differenciális ellenállású zóna átlépése lassú, ami a kommutációs veszteségek

45

megnövekedéséhez vezet, ami miatt ezt a módszert is el kell kerülni a gyakorlatban. Ezt alkalmazva könnyen tönkre tehetjük az eszközt. A negyedik mód a nyitóirányú kommutáció fázisszabályozással, mely az elfogadott és megfelelő módja a teljesítmény tirisztorok vezérlésének. A 4.33. ábra ennek az esetnek megfelelő tranziens esetet mutatja be.

Feltételezve, hogy a tirisztor nyitóirányban van előfeszítve, a vezérlő elektródán egy kívánt időpillanatban egy megfelelő vezérlő áram segítségével begyújthatjuk. Ennek a vezérlő jelnek mindaddig fenn kell állnia, míg az anódáram el nem éri az IL reteszelési áram értéket. Induktív jellegű áramkörökben ez a felfutási idő akár nagyon hosszú is lehet. Kapcsoló induktivitások segítségével ez a probléma, mely veszteségeket okozhat, megoldható. Az induktivitás késlelteti az áramot a tirisztoron úgy, hogy csak akkor vesz fel nagyobb értéket, mikor a feszültség a tirisztor kapcsain már a stacionárius érték köré csökkent, ami kicsi és megfelel a vezetési állapotnak. Az általuk okozott záráskor fellépő túlfeszültségeket védőáramkörök segítségével igen jól kézben lehet tartani. A kapcsoló induktivitások számítását a 4.1.1. fejezetben már érintettük.

A tirisztor záróirányú kommutációja azt a tranziens folyamatot jelenti, amikor vezetésből zárási állapotba megy át nyitóirányú előfeszítés mellett. A lezárást meg lehetne tenni az eszköz egy kisebb impedanciájú eszközzel történő söntölésével is, de általában ellenőrzött zárási folyamatot alkalmazunk egy negatív feszültségalkalmazásával oly módon, hogy az anódáramot a tartó áram alá lehessen csökkenteni. A 4.34. ábra egy ilyen lezárási folyamatot ismerteti:

4.34. ábra. A hagyományos tirisztor lezárási vagy kikapcsolási folyamata, az áram és a feszültség időbeli alakulása, valamint a jellemző időintervallumok

A jelenségek nem különböznek sokban a 4.1.1. fejezetben leírtaktól az egyenirányító diódák esetében, de több p-n átmenet jelenléte a tirisztor struktúrájában jelent némi sajátosságot is. A t2

időpillanatban csak a katódoldali JK átmenet zár le, és rajta néhányszor 10 V záróirányú feszültség esik. A negatív áram tovább nő, de kisebb meredekséggel, egészen a t3 időpillanatig, amikor az anód oldali JA átmenet is lezár. Az eszköz visszanyeri zárási tulajdonságát negatív előfeszítésben és az áram gyorsan csökken a negatív IRR szivárgási értékre, de a közbenső átmenet még nem szabadult fel, így az eszköz nem tud magára venni pozitív anód-katód feszültséget. Nyitóirányú előfeszítésre csak t5 után térhetünk át, ami meghatározza a tirisztor felszabadulási vagy visszatérési idejét. Akár a diódák esetében, a gyártók különböző sebességű tirisztorokat gyártanak a különböző alkalmazásokhoz. Más

46

visszatérési idejű tirisztorokat gyártanak lassú alkalmazásokhoz, például az 50 és 60 Hz frekvenciájú hálózatokhoz, ahol a visszatérési idő 200-300 mikroszekundum nagyságrendű, és másokat a nagy frekvenciás alkalmazásokhoz, ahol a visszatérési idő 50 mikroszekundumnál is kisebb lehet. Az előbbi kategória a normális tirisztorok csoportja, az utóbbi pedig a gyors tirisztoroké

Sok olyan alkalmazás is van, ahol teljesítmény tirisztorok kiegészítve ellenáramú védődiódákkal ellenpárhuzamosan kapcsolva, nagy frekvencián, 20-25 kHz-en kell üzemeljenek, amikor 1 mikroszekundum alatti kíméleti visszatérési idővel kell rendelkezzenek. Ilyen esetekben már a gyors tirisztorok sem megfelelőek. Ezekhez a nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz speciális tirisztorokat fejlesztettek ki [55], amelyeknél a jó tulajdonságokkal rendelkező negatív előfeszítés hátrányára igen alacsony visszatérési időket tudtak elérni. Az egyik ilyen kategória az aszimmetrikus tirisztorok (AST:

asymmetric thyristors), amelyeknél az UBR záróirányú átütési feszültség sokkal kisebb, mint az UBDmax

billenő feszültség, és az UDWM nyitóirányú maximális munkaponti feszültség. Ezen tirisztorok statikus jelleggörbéjét a 4.35. ábra mutatja.

4.35. ábra. Az aszimmetrikus tirisztorok statikus jelleggörbéje

A záróirányú átütési feszültség alacsony értéke nem okoz semmiféle problémát az alkalmazásokban, a védődiódák miatt, a záróirányú munkafeszültség 1 volt nagyságrendű.

A másik kategória a visszirányban is vezető tirisztorok (RCT: reverse conducting thyristor), melyek a harmadik síknegyedben egy egyenirányító dióda viselkedését mutatják, 4.36. ábra. Ilyen esetben nincs szükség az ellenpárhuzamos dióda alkalmazására.

4.36. ábra. A visszirányban vezető tirisztorok statikus jelleggörbéje

Az aszimmetrikus és visszirányban is vezető tirisztorok legfőbb alkalmazási területét a rezonáns konverterek, illetve az elektromos fűtési rendszerek jelentik.

47

4.1.4.2.Triakok

A váltakozó áramú és állandó frekvenciájú energiaátalakítás területén egy nagy alkalmazási kategória létezik, melyet váltakozó áramú szaggatókkal végeznek, ahol a teljesítményelektronikai kör ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztorokból vagy ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztor szerkezetekből áll. Ezen áramkörök konfigurációja megköveteli impulzustranszformátorok alkalmazását a vezérlőjelek előállításához, ami bonyolítja és drágítja a szóban forgó alkalmazást. A fentiekből következik, hogy szükség van egy olyan többrétegű eszközre, melynek egyetlen vezérlő elektródája van, és amely megengedi mind a pozitív, mind a negatív áramok vezérlését. Más szavakkal olyan eszközről van szó, melynek szimmetrikus a statikus jelleggörbéje az origóra, valamint a jelleggörbe az első és harmadik síknegyedben helyezkedik el. Hívják még kétirányú trióda-tirisztornak, triaknak (TRIAC: Triode for Alternating Current) vagy BTT-nek (Bidirectional Triode Thyristor az angol szakirodalomban), illetve simistornak a francia szakirodalomban.

Funkcionálisan a teljesítmény oldalon megegyezik két ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztorral, de mivel csak egy vezérlő elektródája van, a szerkezet némileg bonyolultabb:

4.37. ábra. A triak felépítése és áramköri jelölése

A 4.37. ábra a triak felépítését ismerteti. Az ábrán egy 6 rétegű eszközt látunk, melynek az E1 és E2 a fő elektródái, G pedig a vezérlő vagy kapu elektródája. Amikor az E1 és E2 közötti feszültség pozitív, a főáram vezetése a p1-n2-p2-n3 rétegeken keresztül történik, és a G és E2 között alkalmazott áram impulzusnak ajánlott pozitívnak lennie. Amennyiben az E1 és E2 közötti feszültség negatív, akkor a p2-n2-p1-n1 rétegeken keresztül folyik a főáram. A vezérlés ugyancsak egy áram impulzussal történik a G és E2 között, de ez esetben az áram negatív. Ebben a második esetben úgy, ahogy azt a 4.38. ábra mutatja, a triak munkapontja a harmadik síknegyedben van.

A 4.37. ábra figyelmesebb vizsgálata után megállapíthatjuk, hogy a fő elektródák közötti feszültség előjelétől függetlenül a vezérlő áram pozitív és negatív is lehet, de az optimális vezérléshez ajánlatos betartani a fenti javaslatokat. Ebben az esetben is a reteszelési és tartóáramok a harmadik síknegyedben érezhetően nagyobbak, mint az első síknegyedben. Ezek a minimális áramok megengedhetetlen értékre növekedhetnek, ha nem az ajánlott előjelű vezérlő áram impulzusokat alkalmazzuk. Következésképpen nő az eszköz begyújtási érzékenysége, nagyobb rácsáramokra van szükség, lokális felmelegedések keletkeznek az eszközben, amely így túl hamar elöregszik, és ez a vezérlő áramkör szakadásához vezet.

48

4.38. ábra. A triakok statikus jelleggörbéje

A triak kommutációs folyamata a tirisztoréval azonos, problémák csak induktív terhelések esetén lépnek fel, amikor a zárási esetben a feszültség meredekség az eszköz kapcsain meghaladhatja a katalógusban rögzített megengedett kritikus értéket. Ilyenkor hibás bekapcsolások fordulhatnak elő vezérlőjel nélkül, megzavarva az átalakító működését. Ilyen esetekben nagy odafigyeléssel kell a védőáramköröket megtervezni, [5], [8], [10], [11], [39], [47].

Technológiai indokok miatt a triak árama nem lehet 60 ampernél nagyobb, de a korszerű triakok impulzus transzformátor nélkül is megfelelőek közvetlen hálózati alkalmazásokban történő felhasználásra, ami igen nagy alkalmazási teret nyújt számukra.