Tyristorer: prinsipp for operasjon, design, typer og metoder for inkludering

Prinsippet for drift av tyristoren

En tyristor er en kraftelektronisk, ikke fullt kontrollerbar bryter. Derfor kalles det noen ganger i teknisk litteratur en enkeltoperasjonstyristor, som bare kan byttes til en ledende tilstand med et kontrollsignal, det vil si at den kan slås på. For å slå den av (i likestrømsdrift) må det tas spesielle tiltak for å sikre at likestrømmen faller til null.

En tyristorbryter kan bare lede strøm i én retning, og i lukket tilstand er den i stand til å motstå både forover- og bakoverspenning.

Tyristoren har en firelags p-n-p-n-struktur med tre ledninger: Anode (A), katode (C) og port (G), som er vist i fig. 1

Ris. 1. Konvensjonell tyristor: a) — konvensjonell grafisk betegnelse; b) — volt-ampere karakteristikk.

I fig. 1b viser en familie av utgangsstatiske I - V-karakteristikk ved forskjellige verdier av styrestrømmen iG. Den begrensende foroverspenningen som tyristoren tåler uten å slå den på har maksimalverdier ved iG = 0.Når strømmen øker, reduserer iG spenningen som tyristoren tåler. På-tilstanden til tyristoren tilsvarer gren II, av-tilstanden tilsvarer gren I, og koblingsprosessen tilsvarer gren III. Holdestrømmen eller holdestrømmen er lik den minste tillatte foroverstrømmen iA som tyristoren forblir ledende ved. Denne verdien tilsvarer også minimumsverdien av spenningsfallet forover over på-tyristoren.

Gren IV representerer lekkasjestrømmens avhengighet av reversspenningen. Når reversspenningen overstiger verdien til UBO, begynner en kraftig økning i reversstrømmen, assosiert med tyristorens feil. Arten av sammenbruddet kan tilsvare en irreversibel prosess eller en skredsammenbruddsprosess som er iboende i driften av en halvleder-zenerdiode.

Tyristorer er de kraftigste elektroniske bryterne, i stand til å bytte kretser med spenninger opp til 5 kV og strømmer opp til 5 kA ved en frekvens på ikke mer enn 1 kHz.

Utformingen av tyristorer er vist i fig. 2.

Ris. 2. Utformingen av tyristorbokser: a) - nettbrett; b) — en nål

DC tyristor

En konvensjonell tyristor slås på ved å påføre en strømpuls til kontrollkretsen med positiv polaritet i forhold til katoden. Varigheten av transienten under tenning påvirkes betydelig av belastningens natur (aktiv, induktiv, etc.), amplituden og stigningshastigheten til styrestrømpulsen iG, temperaturen til halvlederstrukturen til tyristoren, den påførte spenningen og belastningsstrømmen.I en krets som inneholder en tyristor, bør det ikke være noen uakseptable verdier for stigningshastigheten til foroverspenningen duAC / dt, der spontan aktivering av tyristoren kan skje i fravær av styresignalet iG og hastigheten på stige fra gjeldende diA / dt. Samtidig må helningen på styresignalet være høy.

Blant måtene å slå av tyristorer på, er det vanlig å skille mellom naturlig avslåing (eller naturlig veksling) og tvungen (eller kunstig kobling). Naturlig kommutering oppstår når tyristorer opererer i alternerende kretser i det øyeblikket strømmen faller til null.

Metodene for tvungen svitsjing er veldig forskjellige. De mest typiske av dem er følgende: tilkobling av en forhåndsladet kondensator C med en bryter S (Figur 3, a); koble en LC-krets med en forhåndsladet kondensator CK (Figur 3 b); bruken av den oscillerende naturen til den transiente prosessen i lastkretsen (figur 3, c).

Ris. 3. Metoder for kunstig omkobling av tyristorer: a) — ved hjelp av ladet kondensator C; b) — ved hjelp av oscillerende utladning av LC-kretsen; c) — på grunn av lastens svingende natur

Når du bytter i henhold til diagrammet i fig. 3 og kopling av en svitsjekondensator med motsatt polaritet, f.eks. til en annen hjelpetyristor, vil føre til at den utlades til den ledende hovedtyristor. Siden utladningsstrømmen til kondensatoren er rettet mot foroverstrømmen til tyristoren, reduseres sistnevnte til null og tyristoren slås av.

I diagrammet på fig. 3, b, forårsaker koblingen av LC-kretsen en oscillerende utladning av svitsjekondensatoren CK.I dette tilfellet, i begynnelsen, flyter utladningsstrømmen gjennom tyristoren motsatt av dens fremstrøm, når de blir like, slår tyristoren seg av. I tillegg går strømmen til LC-kretsen fra tyristoren VS til dioden VD. Når sløyfestrømmen flyter gjennom dioden VD, vil en reversspenning lik spenningsfallet over den åpne dioden påføres tyristoren VS.

I diagrammet på fig. 3, vil tilkobling av en tyristor VS til en kompleks RLC-belastning forårsake en transient. Med visse parametere for lasten kan denne prosessen ha en oscillerende karakter med en endring i polariteten til laststrømmen i. I dette tilfellet, etter å ha slått av tyristoren VS, slås dioden VD på, som begynner å lede en strøm på motsatt polaritet. Noen ganger kalles denne byttemetoden kvasi-naturlig fordi den innebærer en endring i polariteten til laststrømmen.

AC tyristor

Når tyristoren er koblet til AC-kretsen, er følgende operasjoner mulig:

• slå på og av den elektriske kretsen med aktiv og aktiv-reaktiv belastning;

• endring i gjennomsnittlige og effektive strømverdier gjennom belastningen på grunn av det faktum at det er mulig å justere tidspunktet for kontrollsignalet.

Siden tyristorbryteren er i stand til å lede elektrisk strøm i bare én retning, brukes parallellkoblingen deres for bruk av vekselstrømtyristorer (fig. 4, a).

Ris. 4. Antiparallell kobling av tyristorer (a) og formen på strømmen med aktiv belastning (b)

Gjennomsnittlig og effektiv strøm variere på grunn av en endring i tidspunktet da åpningssignaler tilføres tyristor VS1 og VS2, dvs. ved å endre vinkelen og (fig. 4, b).Verdiene for denne vinkelen for tyristor VS1 og VS2 under regulering endres samtidig av kontrollsystemet. Vinkelen kalles kontrollvinkelen eller avfyringsvinkelen til tyristoren.

De mest brukte i kraftelektroniske enheter er fase (fig. 4, a, b) og tyristorstyring med pulsbredde (fig. 4, c).

Ris. 5. Type belastningsspenning ved: a) — fasekontroll av tyristoren; b) — fasekontroll av en tyristor med tvungen kommutering; c) — pulsbredde tyristorkontroll

Med fasemetoden for tyristorstyring med tvungen kommutering er regulering av laststrømmen mulig både ved å endre vinkelen ? og vinkelen ?... Kunstig svitsjing utføres ved hjelp av spesielle noder eller ved bruk av fullt kontrollerte (låsende) tyristorer.

Med pulsbreddekontroll (pulsbreddemodulasjon — PWM) under Totkr påføres et styresignal til tyristorene, de er åpne og spenningen Un påføres lasten. Under Tacr-tiden er kontrollsignalet fraværende og tyristorene er i en ikke-ledende tilstand. RMS-verdi av strømmen i lasten

hvor In.m. — belastningsstrøm ved Tcl = 0.

Strømkurven i belastningen med fasekontroll av tyristorene er ikke-sinusformet, noe som forårsaker forvrengning av formen på spenningen til forsyningsnettverket og forstyrrelser i arbeidet til forbrukere som er følsomme for høyfrekvente forstyrrelser - den såkalte oppstår. Elektromagnetisk inkompatibilitet.

Låse tyristorer

Tyristorer er de kraftigste elektroniske bryterne som brukes til å bytte kretser med høy spenning og høy strøm (høy strøm).Imidlertid har de en betydelig ulempe - ufullstendig kontrollerbarhet, som manifesteres i det faktum at for å slå dem av, er det nødvendig å skape forhold for å redusere foroverstrømmen til null. Dette begrenser og kompliserer i mange tilfeller bruken av tyristorer.

For å eliminere denne ulempen er det utviklet tyristorer som låses av et signal fra kontrollelektroden G. Slike tyristorer kalles gate-off tyristorer (GTO) eller dual-operation.

Låsetyristorer (ZT) har en firelags p-p-p-p-struktur, men har samtidig en rekke betydelige designfunksjoner som gir dem en helt annen enn tradisjonelle tyristorer - egenskapen til full kontrollerbarhet. Den statiske I-V-karakteristikken til avslåing av tyristorer i foroverretningen er identisk med I-V-karakteristikken til konvensjonelle tyristorer. Imidlertid er den låste tyristoren vanligvis ikke i stand til å blokkere store reversspenninger og er ofte koblet til en antiparallell diode. I tillegg er låste tyristorer preget av betydelige spenningsfall fremover. For å slå av låsetyristoren, er det nødvendig å påføre en kraftig puls med negativ strøm (omtrent 1: 5 i forhold til verdien av den konstante av-strømmen) til kretsen til lukkeelektroden, men med kort varighet (10- 100 μs).

Innlåste tyristorer har også lavere grensespenninger og strømmer (med ca. 20-30%) enn konvensjonelle tyristorer.

Hovedtyper av tyristorer

Med unntak av innlåste tyristorer er det utviklet et bredt spekter av tyristorer av ulike typer, med forskjellig hastighet, kontrollprosesser, strømretning i ledende tilstand, etc.Blant dem bør følgende typer bemerkes:

• tyristordiode, som tilsvarer en tyristor med en antiparallell tilkoblet diode (fig. 6.12, a);

• diodetyristor (dynistor), bytter til en ledende tilstand når et visst spenningsnivå overskrides, påført mellom A og C (fig. 6, b);

• låsetyristor (fig. 6.12, c);

• symmetrisk tyristor eller triac, som tilsvarer to antiparallelle koblede tyristorer (fig. 6.12, d);

• høyhastighets invertertyristor (av-tid 5-50 μs);

• felttyristor, for eksempel basert på en kombinasjon av en MOS-transistor med en tyristor;

• optisk tyristor styrt av lysstrøm.

Ris. 6. Konvensjonell grafisk betegnelse for tyristorer: a) — tyristordiode; b) — diodetyristor (dynistor); c) — låsing av tyristor; d) — triac

Tyristor beskyttelse

Tyristorer er kritiske enheter for stigningshastigheten til foroverstrømmen diA / dt og spenningsfallet duAC / dt. Tyristorer, som dioder, er preget av fenomenet omvendt gjenopprettingsstrøm, hvis skarpe fall til null forverrer muligheten for overspenninger med høy duAC / dt-verdi. Slike overspenninger er et resultat av et plutselig avbrudd av strømmen i de induktive elementene i kretsen, inkludert små induktanser installasjon. Derfor brukes vanligvis forskjellige CFTCP-skjemaer for å beskytte tyristorer, som i dynamiske moduser gir beskyttelse mot uakseptable verdier av diA / dt og duAC / dt.

I de fleste tilfeller er den interne induktive motstanden til spenningskildene som er inkludert i kretsen til den medfølgende tyristoren tilstrekkelig slik at ingen ekstra induktans LS blir introdusert.Derfor er det i praksis ofte behov for CFT-er som reduserer nivået og hastigheten på utløsningsstøt (fig. 7).

Ris. 7. Typisk tyristorbeskyttelseskrets

RC-kretser koblet parallelt med tyristoren brukes vanligvis til dette formålet. Det er forskjellige kretsmodifikasjoner av RC-kretser og metoder for å beregne parametrene deres for forskjellige bruksbetingelser for tyristorer.

For innlåste tyristorer brukes kretser for å danne en svitsjbane, lik krets som CFTT-transistorer.