L'appareil et les paramètres des thyristors
Un thyristor est un dispositif semi-conducteur à trois (ou plus) jonctions p-n, dont la caractéristique courant-tension a une section de résistance différentielle négative et qui est utilisé pour la commutation dans les circuits électriques.
Le thyristor le plus simple à deux sorties est un thyristor à diode (dynistor). Le thyristor à triode (SCR) possède en outre une troisième électrode (de commande). Les thyristors à diode et à triode ont une structure à quatre couches avec trois jonctions p – n (Fig. 1).
Les zones d'extrémité p1 et n2 sont appelées respectivement anode et cathode, une électrode de commande est reliée à l'une des zones médianes p2 ou n1. P1, P2, P3- transitions entre les régions p et n.
Une source E de la tension d'alimentation externe est connectée à l'anode avec un pôle positif par rapport à la cathode. Si le courant Iу à travers l'électrode de commande du thyristor à triode est nul, son fonctionnement ne diffère pas du fonctionnement de la diode. Dans certains cas, il est commode de représenter le thyristor comme un circuit équivalent à deux transistors, en utilisant des transistors avec différents types de conductivité électrique p-n-p et n-R-n (Fig. 1, b).
Figue. 1.Structure (a) et circuit équivalent à deux transistors (b) d'un thyristor à triode
Comme on peut le voir sur la fig. 1, b, la transition P2 est une transition de collecteur commun des deux transistors dans le circuit équivalent, et les transitions P1 et P3 sont des jonctions d'émetteur. Lorsque la tension directe Upr augmente (ce qui est obtenu en augmentant la force électromotrice de la source d'alimentation E), le courant du thyristor augmente légèrement jusqu'à ce que la tension Upr s'approche d'une certaine valeur critique de la tension de claquage, égale à la tension d'activation Uin (Fig. . 2).
Riz. 2. Caractéristiques courant-tension et désignation conventionnelle d'un thyristor à triode
Avec une nouvelle augmentation de la tension Upr sous l'influence d'un champ électrique croissant dans la transition P2, on observe une forte augmentation du nombre de porteurs de charge formés à la suite de l'ionisation par impact lors de la collision de porteurs de charge avec des atomes. En conséquence, le courant de jonction augmente rapidement lorsque les électrons de la couche n2 et les trous de la couche p1 se précipitent dans les couches p2 et n1 et les saturent avec des porteurs de charge minoritaires. Avec une nouvelle augmentation de la FEM de la source E ou une diminution de la résistance de la résistance R, le courant dans l'appareil augmente en fonction de la section verticale de la caractéristique I - V (Fig. 2)
Le courant direct minimum auquel le thyristor reste passant est appelé courant de maintien Isp. Lorsque le courant direct diminue jusqu'à la valeur Ipr <Isp (branche descendante de la caractéristique I - V sur la Fig. 2), la haute résistance de la connexion est rétablie et le thyristor s'éteint. Le temps de récupération de la résistance de la jonction p - n est généralement de 1 à 100 µs.
La tension Uin à laquelle commence une augmentation de courant de type avalanche peut être réduite en introduisant davantage de porteurs de charge minoritaires dans chacune des couches adjacentes à la jonction P2. Ces porteurs de charge supplémentaires augmentent le nombre d'actions d'ionisation dans la jonction P2 p-n et donc la tension d'activation Uincl diminue.
Des porteurs de charge supplémentaires dans le thyristor à triode illustré à la Fig. 1, sont introduits dans la couche p2 par un circuit auxiliaire alimenté par une source de tension indépendante. La mesure dans laquelle la tension d'activation diminue à mesure que le courant de commande augmente est illustrée par la famille de courbes de la Fig. 2.
Passant à l'état ouvert (passant), le thyristor ne s'éteint pas même lorsque le courant de commande Iy diminue jusqu'à zéro. Le thyristor peut être désactivé soit en abaissant la tension externe à une certaine valeur minimale, à laquelle le courant devient inférieur au courant de maintien, soit en fournissant une impulsion de courant négative au circuit de l'électrode de commande, dont la valeur, cependant , est proportionnel à la valeur du courant de commutation avant Ipr.
Un paramètre important du thyristor à triode est le courant de commande de déverrouillage Iu sur - le courant de l'électrode de commande, qui assure la commutation du thyristor à l'état ouvert. La valeur de ce courant atteint plusieurs centaines de milliampères.
Figue. 2, on peut voir que lorsqu'une tension inverse est appliquée au thyristor, un petit courant y apparaît, puisque dans ce cas les transitions P1 et P3 sont fermées. Pour éviter d'endommager le thyristor dans le sens inverse (ce qui met le thyristor hors service en raison d'un claquage thermique de la course), la tension inverse doit être inférieure à Urev.max.
Dans les thyristors à diodes et triodes symétriques, la caractéristique inverse I - V coïncide avec la caractéristique directe. Ceci est réalisé par une connexion anti-parallèle de deux structures identiques à quatre couches ou en utilisant des structures spéciales à cinq couches avec quatre jonctions p-n.
Riz. 3. La structure d'un thyristor symétrique (a), sa représentation schématique (b) et la caractéristique courant-tension (c)
Actuellement, les thyristors sont produits pour des courants jusqu'à 3000 A et des tensions d'amorçage jusqu'à 6000 V.
Les principaux inconvénients de la plupart des thyristors sont une contrôlabilité incomplète (le thyristor ne s'éteint pas après la suppression du signal de commande) et une vitesse relativement faible (dizaines de microsecondes). Récemment, cependant, des thyristors ont été créés dans lesquels le premier inconvénient a été supprimé (les thyristors à verrouillage peuvent être désactivés à l'aide du courant de commande).
Potapov L.A.