Tiristorji: princip delovanja, zasnova, vrste in načini vključitve

Načelo delovanja tiristorja

Tiristor je močno elektronsko stikalo, ki ga ni mogoče popolnoma krmiliti. Zato se včasih v strokovni literaturi imenuje enodelni tiristor, ki ga je mogoče preklopiti v prevodno stanje samo s krmilnim signalom, tj. Za izklop (pri delovanju z enosmernim tokom) je treba s posebnimi ukrepi zagotoviti, da enosmerni tok pade na nič.

Tiristorsko stikalo lahko vodi tok samo v eni smeri, v zaprtem stanju pa lahko prenese napetost naprej in nazaj.

Tiristor ima štirislojno strukturo p-n-p-n s tremi vodi: anoda (A), katoda (C) in vrata (G), ki je prikazana na sl. 1

riž. 1. Konvencionalni tiristor: a) - konvencionalna grafična oznaka; b) — volt-amperska karakteristika.

Na sl. 1b prikazuje družino izhodnih statičnih I-V karakteristik pri različnih vrednostih krmilnega toka iG. Omejitvena napetost, ki jo tiristor lahko prenese, ne da bi ga vklopili, ima največje vrednosti pri iG = 0.Ko se tok poveča, iG zmanjša napetost, ki jo lahko prenese tiristor. Vklopljeno stanje tiristorja ustreza veji II, izklopljeno stanje ustreza veji I, preklopni proces pa ustreza veji III. Zadrževalni tok ali zadrževalni tok je enak najmanjšemu dovoljenemu prednjemu toku iA, pri katerem tiristor ostane prevoden. Ta vrednost ustreza tudi najmanjši možni vrednosti padca napetosti naprej na vklopljenem tiristorju.

Veja IV predstavlja odvisnost uhajalnega toka od povratne napetosti. Ko povratna napetost preseže vrednost UBO, se začne močno povečanje povratnega toka, povezano z odpovedjo tiristorja. Narava okvare lahko ustreza ireverzibilnemu procesu ali procesu plazovite okvare, ki je neločljivo povezana z delovanjem polprevodniške zener diode.

Tiristorji so najmočnejša elektronska stikala, ki lahko preklapljajo tokokroge z napetostmi do 5 kV in tokovi do 5 kA pri frekvenci največ 1 kHz.

Zasnova tiristorjev je prikazana na sl. 2.

riž. 2. Zasnova tiristorskih omaric: a) - tablica; b) - zatič

DC tiristor

Običajni tiristor se vklopi z uporabo tokovnega impulza v krmilnem vezju s pozitivno polarnostjo glede na katodo. Na trajanje prehodnega stanja med vklopom pomembno vpliva narava obremenitve (aktivna, induktivna itd.), Amplituda in hitrost naraščanja impulza krmilnega toka iG, temperatura polprevodniške strukture tiristorja, uporabljeno napetost in tok bremena.V vezju, ki vsebuje tiristor, ne sme biti nesprejemljivih vrednosti hitrosti naraščanja prednapetosti duAC / dt, kjer lahko pride do spontane aktivacije tiristorja v odsotnosti krmilnega signala iG in hitrosti porast od trenutnega diA / dt. Hkrati mora biti strmina krmilnega signala visoka.

Med načini izklopa tiristorjev je običajno razlikovati med naravnim izklopom (ali naravnim preklopom) in prisilnim (ali umetnim preklopom). Do naravne komutacije pride, ko tiristorji delujejo v izmeničnih tokokrogih v trenutku, ko tok pade na nič.

Metode prisilnega preklopa so zelo raznolike.Najbolj tipični med njimi so naslednji: povezovanje predhodno napolnjenega kondenzatorja C s stikalom S (slika 3, a); povezava LC vezja s prednapolnjenim kondenzatorjem CK (slika 3 b); uporaba oscilatorne narave prehodnega procesa v tokokrogu obremenitve (slika 3, c).

riž. 3. Metode za umetno preklapljanje tiristorjev: a) - s pomočjo napolnjenega kondenzatorja C; b) — z nihajno razelektritvijo LC tokokroga; c) — zaradi nihanja obremenitve

Pri preklopu po diagramu na sl. 3 in priključitev preklopnega kondenzatorja obratne polarnosti, na primer na drug pomožni tiristor, povzroči, da se izprazni na prevodni glavni tiristor. Ker je izpustni tok kondenzatorja usmerjen proti prednjemu toku tiristorja, se slednji zmanjša na nič in tiristor se izklopi.

V diagramu na sl. 3, b, povezava LC vezja povzroči nihajočo razelektritev preklopnega kondenzatorja CK.V tem primeru na začetku razelektritveni tok teče skozi tiristor nasproti njegovemu prednjemu toku, ko se izenačita, se tiristor izklopi. Poleg tega tok LC-vezja prehaja iz tiristorja VS na diodo VD. Ko tok zanke teče skozi diodo VD, bo na tiristorju VS uporabljena povratna napetost, ki je enaka padcu napetosti na odprti diodi.

V diagramu na sl. 3 bo povezava tiristorja VS s kompleksno obremenitvijo RLC povzročila prehodni pojav. Pri določenih parametrih obremenitve ima lahko ta proces oscilatorni značaj s spremembo polarnosti obremenitvenega toka. V tem primeru se po izklopu tiristorja VS vklopi dioda VD, ki začne prevajati tok nasprotna polarnost. Včasih se ta način preklopa imenuje kvazinaravni, ker vključuje spremembo polarnosti bremenskega toka.

AC tiristor

Ko je tiristor priključen na izmenični tokokrog, so možne naslednje operacije:

• vklop in izklop električnega tokokroga z aktivno in aktivno-reaktivno obremenitvijo;

• sprememba povprečnih in efektivnih trenutnih vrednosti skozi obremenitev zaradi dejstva, da je mogoče prilagoditi čas krmilnega signala.

Ker je tiristorsko stikalo sposobno izvajati električni tok samo v eni smeri, se za uporabo tiristorjev z izmeničnim tokom uporablja njihova vzporedna povezava (slika 4, a).

riž. 4. Antiparalelna vezava tiristorjev (a) in oblika toka z aktivno obremenitvijo (b)

Povprečje in efektivni tok spreminjajo zaradi spremembe časa, ko se na tiristorja VS1 in VS2 dovajajo odpiralni signali, tj. s spreminjanjem kota in (slika 4, b).Vrednosti tega kota za tiristorja VS1 in VS2 med regulacijo sočasno spreminja krmilni sistem. Kot se imenuje krmilni kot ali vžigalni kot tiristorja.

V močnostnih elektronskih napravah se najpogosteje uporabljajo fazno (sl. 4, a, b) in tiristorsko krmiljenje s širino impulza (sl. 4, c).

riž. 5. Vrsta bremenske napetosti pri: a) — fazni nadzor tiristorja; b) — fazno krmiljenje tiristorja s prisilno komutacijo; c) — tiristorsko krmiljenje impulzne širine

S fazno metodo tiristorske regulacije s prisilno komutacijo je regulacija bremenskega toka možna tako s spreminjanjem kota ? in kota ?... Umetno preklapljanje se izvaja s posebnimi vozlišči ali s popolnoma nadzorovanimi (zaklepnimi) tiristorji.

Pri krmiljenju širine impulza (modulacija širine impulza - PWM) med Totkr se krmilni signal dovaja na tiristorje, so odprti in napetost Un se nanaša na obremenitev. V času Tacr je krmilni signal odsoten in tiristorji so v neprevodnem stanju. RMS vrednost toka v bremenu

kjer In.m. — obremenitveni tok pri Tcl = 0.

Tokovna krivulja v obremenitvi s faznim krmiljenjem tiristorjev je nesinusna, kar povzroča izkrivljanje oblike napetosti napajalnega omrežja in motnje pri delu porabnikov, občutljivih na visokofrekvenčne motnje - pride do t.i. Elektromagnetna nezdružljivost.

Zaklepanje tiristorjev

Tiristorji so najmočnejša elektronska stikala, ki se uporabljajo za preklop tokokrogov visoke napetosti, visokega toka (visokega toka).Vendar pa imajo pomembno pomanjkljivost - nepopolno nadzorovanje, ki se kaže v dejstvu, da je za njihovo izklop potrebno ustvariti pogoje za zmanjšanje prednjega toka na nič. To v mnogih primerih omejuje in otežuje uporabo tiristorjev.

Za odpravo te pomanjkljivosti so bili razviti tiristorji, ki so zaklenjeni s signalom krmilne elektrode G. Takšni tiristorji se imenujejo tiristorji z izklopom (GTO) ali dvojno delovanje.

Zaklepni tiristorji (ZT) imajo štirislojno strukturo p-p-p-p, hkrati pa imajo številne pomembne konstrukcijske značilnosti, ki jim dajejo popolnoma drugačno od tradicionalnih tiristorjev - lastnost popolne nadzorljivosti. Statična I-V karakteristika izklopnih tiristorjev v smeri naprej je enaka IV-V karakteristiki običajnih tiristorjev. Vendar tiristor z zaklepom običajno ne more blokirati velikih povratnih napetosti in je pogosto povezan z antiparalelno diodo. Poleg tega so za tiristorje z zaklepom značilni znatni padci napetosti naprej. Za izklop zapornega tiristorja je potrebno uporabiti močan impulz negativnega toka (približno 1: 5 glede na vrednost konstantnega izklopnega toka) v vezje zapiralne elektrode, vendar s kratkim trajanjem (10- 100 μs).

Zaklepni tiristorji imajo tudi nižje mejne napetosti in tokove (za približno 20-30%) kot običajni tiristorji.

Glavne vrste tiristorjev

Z izjemo zaklepnih tiristorjev je bila razvita široka paleta tiristorjev različnih tipov, ki se razlikujejo po hitrosti, krmiljenju, smeri tokov v prevodnem stanju itd.Med njimi je treba opozoriti na naslednje vrste:

• tiristorska dioda, ki je enakovredna tiristorju z antiparalelno povezano diodo (slika 6.12, a);

• diodni tiristor (dinistor), ki preklopi v prevodno stanje, ko je presežena določena raven napetosti, uporabljena med A in C (slika 6, b);

• zaklepni tiristor (slika 6.12, c);

• simetrični tiristor ali triac, ki je enakovreden dvema antiparalelno povezanima tiristorjema (slika 6.12, d);

• hitri inverterski tiristor (čas izklopa 5-50 μs);

• poljski tiristor, na primer na osnovi kombinacije MOS tranzistorja s tiristorjem;

• optični tiristor, ki ga krmili svetlobni tok.

riž. 6. Konvencionalna grafična oznaka tiristorjev: a) - tiristorska dioda; b) — diodni tiristor (dinistor); c) — zaklepni tiristor; d) - triak

Tiristorska zaščita

Tiristorji so kritične naprave za hitrost naraščanja predhodnega toka diA / dt in padca napetosti duAC / dt. Za tiristorje, tako kot za diode, je značilen pojav povratnega obnovitvenega toka, katerega močan padec na nič poveča možnost prenapetosti z visoko vrednostjo duAC / dt. Takšne prenapetosti so posledica nenadne prekinitve toka v induktivnih elementih vezja, vključno z majhne induktivnosti namestitev. Zato se za zaščito tiristorjev običajno uporabljajo različne sheme CFTCP, ki v dinamičnih načinih zagotavljajo zaščito pred nesprejemljivimi vrednostmi diA / dt in duAC / dt.

V večini primerov je notranja induktivna upornost napetostnih virov, vključenih v tokokrog vključenega tiristorja, zadostna, da se ne vnaša dodatna induktivnost LS.Zato v praksi pogosto obstaja potreba po CFT-jih, ki zmanjšajo raven in hitrost izklopnih sunkov (slika 7).

riž. 7. Tipično tiristorsko zaščitno vezje

V ta namen se običajno uporabljajo RC vezja, povezana vzporedno s tiristorjem. Obstajajo različne modifikacije vezja RC vezij in metode izračuna njihovih parametrov za različne pogoje uporabe tiristorjev.

Za zaklenjene tiristorje se vezja uporabljajo za oblikovanje preklopne poti, ki je po vezju podobna tranzistorjem CFTT.