Tyristorn är en av de tre ursprungliga halvledarna, jämte transistorn och dioden. Den är något av ett mellanting mellan dessa två, men kan konstrueras så att den klarar mycket högre spänningar och strömmar.


Vid första påseende är tyristorn närmast en styrbar diod. I och med att den är styrbar så är den som transistorn en aktiv komponent. Men till skillnad från transistorn kan inte tyristorn styra storleken av den ström som släpps fram genom komponenten. Antingen är tyristorn helt öppen eller helt stängd.

I motsats till dioden kan tyristorn spärra ström även i framriktningen. För att skilja tillstånden åt säger man att tyristorn spärrar ström i backriktningen och att den kan blockera ström i framriktningen.

Tyristorn, som för övrigt föddes i början av 1950-talet, i ett av General Electrics laboratorier, har fyra skikt, pnpn. Närmast anoden kommer det första p-skiktet, sedan ett n-skikt, därefter ett p-skikt för styret och till sist ett n-skikt vid katoden.



Tänds med kort puls på styret


Tyristorn tänds med en kort, positiv puls på styret. "Tändningen", det vill säga övergången från blockerande till ledande tillstånd, går mycket snabbt. Sedan leder tyristorn till dess att spänningen i framriktningen har sjunkit till noll och vänt polaritet.

En tyristor som ständigt får styrpulser fungerar kretstekniskt som en diod, och ger en halvvågslikriktad ström.

Vitsen med tyristorn är istället att tändningen kan fördröjas till en godtycklig tidpunkt så länge som det ligger en spänning över tyristorn i framriktningen. Den halvvågslikriktade strömmen blir därmed inte en halvvåg, utan en del av en halvvåg.



Största klarar flera kilovolt


Tyristorns bästa egenskap är att den kan konstrueras så att den klarar mycket högre spänningar och strömmar än vad en transistor gör. De största tyristorerna klarar spänningar på flera kV och strömmar på flera kA. Den kan också göras mycket robust och tåla hög spännings- och strömderivator.

De här egenskaperna har gjort tyristorn till den dominerande kraftkomponenten i kraftelektronik. För elkrafttekniken har tyristorn varit den enda halvledare som tålt de spänningar och strömmar som förekommer i kraftapparater. Exempelvis är kraftöverföringar med högspänd likström bestyckade med högeffekttyristorer.

Eftersom krafttyristorer ska leda stora strömmar behövs det stora ledarareor och effektiv kylning. Därför ser en stor tyristor ut som en puck, där kanten är av räfflat porslin och de platta över- och undersidorna, anod- och katodanslutningarna, är planslipade metallskivor. Insidan består synbart bara av en upp till 100 kvadratcentimeter stor kiselskiva.

Den tekniska utmaningen är att se till att spänningarna tas upp över hela kiselytan och att tyristorn tänder över hela kiselytan samtidigt. Tändningen sprider sig från styret ut över skivan. För att tändningen snabbt ska nå hela skivan brukar styret se ut som en stjärna, eller snarare snöflinga, med armar över kiselskivan.

En nackdel med den klassiska tyristorn är att den inte slutar att leda ström förrän spänningen över den byter polaritet. Därför utvecklades en annan typ av tyristor, GTO-tyristorn, som är släckbar.

GTO-tyristorn tänds med en positiv styrpuls och släcks med en negativ puls. I praktiken är den mycket mer invecklad än den vanliga tyristorn. En GTO måste byggas upp som flera parallella GTO-element på en och samma kiselskiva.

När GTO-tyristorn kom trodde många konstruktörer att den snart skulle ersätta den vanliga tyristorn. Så blev det inte. Den invecklade konstruktionen gjorde GTO-tyristorn dyr, och den är inte heller lika tålig som en vanlig tyristor. Den verkliga akilleshälen är dock ekonomin.

En GTO-tyristor kräver en rejäl släckpuls, med en ström som är runt 30 procent av strömmen genom tyristorn. Trots att pulsen är kort betyder det att en ganska stor laddning måste injiceras i tyristorn för att den ska släcka. Därför behöver en GTO-tyristor släckkretsar med bland annat stora kondensatorer. Släckkretsarna kostar pengar, liksom de effektförluster man får.

Den dyra kretstekniken har gjort att GTO-tyristorerna i praktiken inte används vid riktigt höga spänningar, där man normalt seriekopplar tyristorerna för att få den önskade spänningståligheten. Däremot har GTO-tyristorerna blivit vanliga i motorstyrningar i industrin och i lok. X2000-tågens motorer drivs till exempel av strömriktare med GTO-tyristorer.



Filter och avstörning krävs


Tyristorernas egenskap att tända och släcka strömmen abrupt har nackdelen att de alstrar kantiga vågformer och stora mängder övertoner. Tyristorer kräver därför ofta filter och avstörningskretsar. Därför har små tyristorer nästan helt ersatts av kraftiga MOS-transistorer, som kopplas så att de ger trappstegsformade utspänningar där övertonerna lätt tas bort med enkla övertonsfilter.

Tyristorutvecklingen tycks gå mot komponenter som kombinerar den vanliga tyristorns, GTO-tyristorns och MOS-transistorns bästa egenskaper. Den komponent som har kommit närmast är IGBT. Den är, som det fullständiga namnet Insulated Gate Bipolar Transistor säger, snarare en transistor än en tyristor. Styret är en liten, tunn ö av MOS-material ovanpå en större, trelagers kiselstruktur. En positiv styrpuls skapar en n-ledande kanal genom det första p-skiktet i kislet, och därmed tänds IGBTn.

Styrningen kräver mycket mindre ström än hos en GTO, men en IGBT kan inte hantera stor mängder med laddningar lika effektivt som en tyristor. Det sätter en gräns för förmågan att hantera stora strömmar och effekter. Trots begränsningarna är det många som anser att IGBTn kan utvecklas långt. ABB satsar bland annat stort på IGBT, och har redan börjat att använda dem i en ny typ av kraftöverföringar med högspänd likström.

Ett annat spår i utvecklingen är att använda MOS-tekniken direkt i en tyristor. De första försöken gällde att utveckla en MCT, en MOS-tyristor. Det talades mycket om den på 1980-talet, men utvecklingen har sedan dess gått ganska långsamt. Det beror till en stor del på att IGBT-tekniken har utvecklats snabbt.

En ny variant av MOS-tyristoridén, MTO, kan möjligen bli en konkurrent till IGBT. En MTO är en tyristor som har ett MOS-styre enbart för släckning. Den klarar sig med långt mindre släckströmmar än GTO-tyristorn, och kan också bli billigare att tillverka.

Per Stymne

Frilansjournalist



Uttryck och förkortningar




COMFET
Conductivity Modulated Field Effect Transistor. Samma sak som IGBT.



GTO
Gate Turn-Off thyristor. Släckbar tyristor.



IGBT
, IGTInsulated Gate Bipolar Transistor. Högeffekttransistor med isolerat (MOS)-styre.



MCT
MOS- Controlled Thyristor. MOS-styrd tyristor, där både tändning och släckning görs via MOS-styren.



MTO
MOS-Turn-off. En tyristor med en extra MOS-struktur som enbart används för släckning. Jämför med MCT.



SCR
Tyristor som optimerats för att främst ta upp spänningi blockriktningen. I engelskspråkiga sammanhang används SCR synonymt med ordet tyristor.



Triac
Två antiparallellkopplade tyristorer.

PS