أبسط إدراج للثايرستور والتيرستورات. مفاتيح الثايرستور AC

لتبديل دوائر الطاقة التيار المتناوبتستخدم في الغالب الثايرستور. هم قادرون على التخطي التيارات العاليةمع انخفاض صغير في الجهد ، يتم تشغيلها ببساطة نسبيًا عن طريق تطبيق نبضة تحكم منخفضة الطاقة على قطب التحكم. في الوقت نفسه ، لا يلعب عيبهم الرئيسي - صعوبة إيقاف التشغيل - دورًا في دوائر التيار المتناوب ، نظرًا لأن التيار المتردد يمر بالضرورة عبر الصفر مرتين في كل فترة ، مما يضمن إيقاف تشغيل الثايرستور تلقائيًا.

يظهر الرسم التخطيطي لمفتاح الثايرستور أحادي الطور في الشكل. 8.7 يتم تشكيل نبضات التحكم من الفولتية الأنود للثايرستور.

إذا كان على الأنود من الثايرستور D1جهد نصف الموجة الموجب ، ثم عند إغلاق المفتاح إلىمن خلال الصمام الثنائي DZوالمقاوم إلىسوف يمر النبض الحالي للتحكم في الثايرستور D1.نتيجة لذلك ، الثايرستور D1عند تشغيله ، ينخفض ​​جهد الأنود إلى الصفر تقريبًا ، وتختفي إشارة التحكم ، لكن يظل الثايرستور في الحالة الموصلة حتى نهاية نصف الدورة ، حتى يمر تيار الأنود عبر الصفر. في نصف الدورة الأخرى ، مع القطبية المعاكسة لجهد التيار الكهربائي ، يتم تشغيل الثايرستور بطريقة مماثلة د 2.وداعا المفتاح إلىسيتم إغلاق الثايرستور تلقائيًا واحدًا تلو الآخر ، مما يضمن مرور التيار من المصدر إلى الحمل.

مفاتيح الثايرستور هذه هي أساس أجهزة التبديل أحادية الطور وثلاثية الطور.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك موصل تيار متردد يتم التحكم فيه بجهد الأنود.



تتمثل إحدى ميزات أجهزة تبديل أشباه الموصلات في قدرتها على أداء وظائف مختلفة دون تغييرات أساسية في قسم الطاقة. لذلك ، فإن كتلة الثايرستور ، مصنوعة وفقًا للمخطط في الشكل. 8.5 ، يمكن أن تعمل بشكل متساوٍ بنجاح كموصل وكمحول. فقط من خلال استبدال الثايرستور (تغيير النوع أو فئة الجهد أو مجموعة الجهاز من حيث المعلمات الديناميكية) يوسع نطاق الأجهزة للتيار أو الجهد. يمكنك التأثير بشكل كبير على تشغيل الدائرة بمساعدة نظام التحكم ، والذي سيظهر في مثال تشغيل موصل الثايرستور (الشكل 8.8).

يتم تصنيع كتلة الطاقة للموصل وفقًا للمخطط مع اتصال مضاد للتوازي من الثايرستور VS1و VS2.يتم التحكم فيه بواسطة دائرة تتكون من مقاومات. R1 ،R2 ،R3والتلامس الميكانيكي S. هذه الدائرة متصلة بالتوازي مع الثايرستور ، وبالتالي ، عندما يكون المفتاح مغلقًا سالجهد على عناصره ، وخاصة على المقاومات R1و R3 ،يتغير بشكل متزامن مع جهد الأنود على الثايرستور. وبما أن هذه المقاومات متصلة بالتوازي مع دوائر التحكم في الثايرستور ، فإن جهد قطبية واحدة يزداد في نفس الوقت على كل من قطب الثايرستور وقطب التحكم الخاص به.

إذا كان هذا الجهد موجبًا ، على سبيل المثال ، بالنسبة إلى الثايرستور VS1 ،وإزالته من المقاوم R1الجهد يتجاوز جهد الزناد ، الثايرستور VS1يشغل. عندما يتم تغيير قطبية الجهد بنفس الطريقة ، يتم تشغيل الثايرستور VS2.

الثنائيات VD1و VD2في الدائرة ضرورية لحماية دوائر التحكم في الثايرستور من الجهد العكسي بجهد سلبي عند الأنودات الخاصة بهم.

مقاوم قابل للتعديل R2في دائرة التحكم يتم تحديدها من حالة الحد من اتساع نبض تيار التحكم إلى القيمة المسموح بها للثايرستور المستخدم. بالنظر إلى أنه يمكن إغلاق جهة الاتصال S في فترة نصف دورة في أي وقت ، بما في ذلك في الوقت الذي يصل فيه جهد الشبكة إلى قيمة السعة اممميتم تحديد مقاومة المقاوم من التعبير

,

أين R G -المقاومة الخاصة لدائرة التحكم في الثايرستور.

عن طريق تغيير مقاومة المقاوم R2من الممكن التحكم في التيار في دوائر الإدخال للثايرستور ، وبالتالي ، في اللحظة التي يتم تشغيلها فيها بالنسبة لبداية دورة نصف الجهد (الشكل 8.9). نتيجة لذلك ، يصبح الموصل قادرًا على أداء وظيفة أخرى - تنظيم التيار في الحمل. الحد من زاوية تأخير تشغيل الثايرستور أالأعلى، والتي يمكن توفيرها بواسطة دائرة تحكم المقاوم ، 90 درجة. عملية تنظيم التيار (الجهد ، الطاقة) في الدائرة عن طريق تغيير زاوية تأخير تشغيل الثايرستور أيسمى التحكم في الطور.

اعتماد تغيير الجهد على الحمل النشطوالتيار فيه من الزاوية أللمخطط قيد النظر يتم تحديدها من خلال التعبيرات

الحد الأدنى لزاوية تأخير التشغيل للثايرستور مع الحمل النشط أ» 2 درجة. ويفسر ذلك حقيقة أن جميع الثايرستور لديها عتبة حساسية لدائرة التحكم ، وبالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يتجاوز جهد الأنود المتغير وفقًا لقانون جيبي قيمة العتبة , على الأقل مرتين.

تؤدي هذه العوامل إلى ظهور التوقفات غير الحالية في منحنى الحمل الحالي ( ر صفي التين. 8.9). بسبب تشتت خصائص التحكم في الثايرستور ، قد لا تكون هذه التوقفات هي نفسها في المدة ، مما يؤدي إلى ظهور مكون ثابت في تيار الحمل.



إذا لزم الأمر ، يتم معادلة زوايا تأخير التشغيل للثايرستور من خلال تنظيم تيارات التحكم عن طريق تغيير مقاومة مقاومات التوليف R1و R3(الشكل 8.8).

مبدأ عمل الثايرستور

بالتأكيد يمكن أن يكون أي ثايرستور في حالتين مستقرتين - مغلقأو افتح

في الحالة المغلقة ، يكون في حالة الموصلية المنخفضة ولا يتدفق التيار تقريبًا ، في الحالة المفتوحة ، على العكس من ذلك ، سيكون أشباه الموصلات في حالة موصلية عالية ، ويمر التيار خلالها بدون مقاومة تقريبًا

يمكننا القول أن الثايرستور هو مفتاح يتم التحكم فيه بالطاقة الكهربائية. لكن في الواقع ، يمكن لإشارة التحكم أن تفتح فقط أشباه الموصلات. لقفله مرة أخرى ، يلزم استيفاء الشروط التي تهدف إلى تقليل التيار الأمامي إلى الصفر تقريبًا.

من الناحية الهيكلية ، الثايرستور عبارة عن سلسلة من أربع طبقات صو ناكتب تشكيل الهيكل ص-ن-ف-نومتصلة في سلسلة.

تسمى إحدى المناطق المتطرفة التي يتصل بها قطب الطاقة الموجب الأنود، ص - نوع
يتم استدعاء الآخر ، الذي يتصل به قطب الجهد السالب الكاثود، - نوع n
قطب التحكممتصلة بالطبقات الداخلية.

لفهم عمل الثايرستور ، ضع في اعتبارك عدة حالات ، الأولى: لا يتم تطبيق الجهد الكهربائي على قطب التحكم، يتم توصيل الثايرستور وفقًا لدائرة الدينيستور - يتم تزويد القطب الموجب بجهد موجب ، والجهد السالب للكاثود ، انظر الشكل.

في هذه الحالة ، يكون المجمع p-n-junction في الثايرستور في حالة مغلقة ، والباعث مفتوح. تتميز الوصلات المفتوحة بمقاومة منخفضة جدًا ، لذلك يتم تطبيق كل الجهد تقريبًا من مصدر الطاقة على تقاطع المجمع ، نظرًا للمقاومة العالية التي يكون التيار المتدفق عبر جهاز أشباه الموصلات منخفضًا جدًا.

على الرسم البياني CVC ، هذه الحالة ذات صلة بالمنطقة المميزة برقم 1 .

مع زيادة مستوى الجهد ، حتى نقطة معينة ، لا يزيد تيار الثايرستور تقريبًا. لكن الوصول إلى مستوى حرج مشروط - تشغيل الجهد يو على، تظهر العوامل في الدينيستور حيث تبدأ الزيادة الحادة في ناقلات الشحن المجاني في تقاطع المجمع ، والذي يرتدي على الفور تقريبًا طبيعة الانهيار الجليدي. نتيجة لذلك ، يحدث انهيار كهربائي قابل للانعكاس (النقطة 2 في الشكل الموضح). في ص- منطقة تقاطع المجمع ، تظهر منطقة زائدة من الشحنات الموجبة المتراكمة ، في ن-المنطقة ، على العكس من ذلك ، هناك تراكم للإلكترونات. تؤدي الزيادة في تركيز ناقلات الشحن المجاني إلى انخفاض في الحاجز المحتمل عند التقاطعات الثلاثة ، ويبدأ حقن حاملات الشحنة من خلال تقاطعات الباعث. تزداد شخصية الانهيار الجليدي أكثر ، وتؤدي إلى تبديل تقاطع المجمع في الحالة المفتوحة. في الوقت نفسه ، يزداد التيار في جميع مناطق أشباه الموصلات ، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد بين الكاثود والأنود ، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه كقطعة مميزة بالرقم الثالث. في هذه المرحلة من الزمن ، يمتلك الدينيستور مقاومة تفاضلية سالبة. عن المقاومة ص نيرتفع الجهد ومفاتيح أشباه الموصلات.

بعد فتح تقاطع المجمع ، تصبح الخاصية I-V للديويستور هي نفسها الموجودة في الفرع المستقيم - القطعة رقم 4. بعد تبديل جهاز أشباه الموصلات ، ينخفض ​​الجهد إلى مستوى واحد فولت. في المستقبل ، ستؤدي الزيادة في مستوى الجهد أو انخفاض المقاومة إلى زيادة تيار الخرج ، واحد إلى واحد ، وكذلك تشغيل الصمام الثنائي عند تشغيله مباشرة. إذا تم تقليل مستوى جهد الإمداد ، فستتم استعادة المقاومة العالية لتقاطع المجمع على الفور تقريبًا ، يغلق الدينيستور ، ينخفض ​​التيار بشكل حاد.

تشغيل الجهد يو على، يمكن تعديله عن طريق إدخال أي من الطبقات الوسيطة ، بجانب تقاطع المجمع ، حاملات الشحنة الثانوية لذلك.

لهذا الغرض خاص قطب التحكم، مدعوم من مصدر إضافي ، والذي يليه التحكم في الجهد – يو التحكم. كما يتضح من الرسم البياني ، مع زيادة التحكم في U ، ينخفض ​​جهد التشغيل.

الخصائص الرئيسية للثايرستور

يو علىتشغيل الجهد - في ذلك ، يتحول الثايرستور إلى الحالة المفتوحة
Uo6p.max- الجهد العكسي النبضي المتكرر الذي يحدث خلاله عطل كهربائي السندات الإذنية تقاطعأ. بالنسبة للعديد من الثايرستور ، سيكون التعبير صحيحًا U o6p.max. = يو على
إيماكس- الحد الأقصى المسموح به للقيمة الحالية
أنا الأربعاء- متوسط ​​القيمة الحالية للفترة يو ن ب- انخفاض الجهد المباشر مع الثايرستور المفتوح
Io6p.max- يعكس الحد الأقصى الحاليتسرب عند التطبيق Uo6p.max، بسبب حركة ناقلات الشحن الصغيرة
أنا أحملالتيار المستمر - قيمة تيار الأنود الذي يتم قفل الثايرستور عنده
Pmax- أقصى قدر من تبديد الطاقة
ر قبالة- الوقت اللازم لإيقاف تشغيل الثايرستور

الثايرستور قابل للقفل- له أربع طبقات كلاسيكية ص-ن-ف-نهيكل ، ولكن في نفس الوقت لديها عدد من ميزات التصميم، وإعطاء وظائف مثل التحكم الكامل. بسبب هذا الإجراء من قطب التحكم ، يمكن للثايرستور القابل للقفل الانتقال ليس فقط إلى الحالة المفتوحة من الإغلاق ، ولكن أيضًا من الفتح إلى الإغلاق. للقيام بذلك ، يتم تطبيق جهد على قطب التحكم ، عكس ذلك الذي يفتحه الثايرستور سابقًا. لقفل الثايرستور على قطب التحكم ، يتبعه نبضة تيار سالب قوية ولكنها قصيرة المدة. عند استخدام الثايرستور القابل للقفل ، يجب أن نتذكر أن قيمها الحدية أقل بنسبة 30٪ من القيم التقليدية. في هندسة الدوائر ، يتم استخدام الثايرستور القابل للقفل بشكل نشط كمفاتيح إلكترونية في تقنية المحول والنبض.

على عكس أقاربهم المكونة من أربع طبقات - الثايرستور ، لديهم هيكل من خمس طبقات.

نظرًا لهيكل أشباه الموصلات هذا ، فإنهم قادرون على تمرير التيار في كلا الاتجاهين - من الكاثود إلى القطب الموجب ومن القطب الموجب إلى القطب السالب ، ويتم تطبيق الجهد لكلا القطبين على قطب التحكم. بسبب هذه الخاصية ، فإن خاصية الجهد الحالي للتيرستورات لها شكل متماثل في كلا محوري الإحداثيات. يمكنك التعرف على تشغيل التيرستورات من فيديو تعليمي على الرابط أدناه.

مبدأ تشغيل التيرستورات

إذا كان الثايرستور القياسي يحتوي على أنود وكاثود ، فلا يمكن وصف أقطاب التيرستورات بهذه الطريقة ، لأن كل قطب زاوية هو قطب موجب وكاثود في نفس الوقت. لذلك ، فإن التيرستورات قادر على تمرير التيار في كلا الاتجاهين. هذا هو السبب في أنها تعمل بشكل رائع في دوائر التيار المتردد.

دائرة بسيطة للغاية تشرح مبدأ التيرستورات هي منظم طاقة التيرستورات.

بعد تطبيق الجهد على أحد مخرجات التيرستورات ، يتم توفير جهد متناوب. يتم توفير جهد تحكم سلبي للإلكترود الذي يتحكم في جسر الصمام الثنائي. عندما يتم تجاوز عتبة التشغيل ، يتم إلغاء قفل التيرستورات ويتدفق التيار إلى الحمل المتصل. في الوقت الذي يتغير فيه قطبية الجهد عند إدخال التيرستورات ، يتم قفله. ثم يتم تكرار الخوارزمية.

كلما زاد مستوى جهد التحكم ، زادت سرعة حرائق التيرستورات وزادت مدة النبض عند الحمل. مع انخفاض مستوى جهد التحكم ، تنخفض أيضًا مدة النبضات على الحمل. عند إخراج منظم التيرستورات ، سيكون الجهد مسننًا مع مدة نبض قابلة للتعديل. وبالتالي ، من خلال ضبط جهد التحكم ، يمكننا تغيير سطوع المصباح المتوهج أو درجة حرارة طرف حديد اللحام المتصل كحمل.

لذلك يتم التحكم في التيرستورات بواسطة كل من الجهد الموجب والسالب. دعونا نسلط الضوء على إيجابيات وسلبيات.

الإيجابيات: تكلفة منخفضة ، وعمر خدمة طويل ، وعدم وجود جهات اتصال ، ونتيجة لذلك ، لا يوجد شرارة أو ثرثرة.
السلبيات: حساسة جدًا للسخونة الزائدة وعادة ما يتم تركيبها على المبرد. لا يعمل على الترددات العالية ، حيث لا يوجد لديه الوقت للتبديل من الفتح إلى المغلق. يستجيب للتدخل الخارجي الذي يسبب إنذارات كاذبة.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى ميزات تركيب التيرستورات في التكنولوجيا الإلكترونية الحديثة.

عند الأحمال المنخفضة أو إذا كانت هناك دوائر قصيرة تتدفق فيه التيارات الدافعةيمكن إجراء تركيب التيرستورات بدون المشتت الحراري. في جميع الحالات الأخرى ، فإن وجودها مطلوب بشكل صارم.
يمكن تثبيت الثايرستور في المشتت الحراري بمشبك تثبيت أو برغي
لتقليل احتمالية حدوث إنذارات خاطئة بسبب الضوضاء ، يجب تقليل طول الأسلاك إلى الحد الأدنى. يوصى باستخدام كبل محمي أو زوج مجدول للتوصيل.

أو البصريات هي أشباه موصلات متخصصة ، وتتمثل ميزة تصميمها في وجود خلية ضوئية ، وهي قطب تحكم.

نوع حديث وواعد من التيرستورات هو مُحدد البصر. بدلاً من إلكترود التحكم ، يوجد مصباح LED في الغلاف ويتم التحكم عن طريق تغيير جهد الإمداد على LED. على الضرب تدفق مضيئةتعمل الخلية الكهروضوئية الخلفية على تحويل الثايرستور إلى الوضع المفتوح. عظم الوظيفة الأساسيةفي optosimistor هو أن هناك عزل كلفاني كامل بين دائرة التحكم ودائرة الطاقة. هذا يخلق ببساطة مستوى ممتاز وموثوقية التصميم.

مفاتيح التشغيل. واحدة من النقاط الرئيسية التي تؤثر على الطلب على هذه الدوائر هي الطاقة المنخفضة التي يمكن أن يتبددها الثايرستور في تبديل الدوائر. في حالة القفل ، لا يتم استهلاك الطاقة عمليًا ، لأن التيار قريب من قيم الصفر. وفي الحالة المفتوحة ، يكون تبديد الطاقة منخفضًا بسبب قيم الجهد المنخفض.

أجهزة العتبة- ينفذون الخاصية الرئيسية للثايرستور - لفتح عندما يصل الجهد إلى المستوى المطلوب. يستخدم هذا في أجهزة التحكم في طاقة الطور ومذبذبات الاسترخاء.

للانقطاع والتوقفتستخدم الثايرستور. صحيح ، في هذه الحالة ، تحتاج المخططات إلى بعض الصقل.

الأجهزة التجريبية- يستخدمون خاصية الثايرستور للحصول على مقاومة سلبية ، كونهم في وضع عابر

مبدأ التشغيل وخصائص الدينيستور ، الدوائر على الدينيستورات

الدينيستور هو نوع من الصمام الثنائي أشباه الموصلات ينتمي إلى فئة الثايرستور. يتكون الدينيستور من أربع مناطق ذات موصلية مختلفة وله ثلاثة تقاطعات pn. في مجال الإلكترونيات ، وجد استخدامًا محدودًا إلى حد ما ، حيث يمكن العثور على المشي في التصميمات مصابيح موفرة للطاقةتحت القاعدة E14 و E27 ، حيث يتم استخدامه في دوائر البداية. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يأتي عبر كوابح المصابيح الفلورية.

بدأ إنشاء أجهزة أشباه الموصلات لإلكترونيات الطاقة في عام 1953 ، عندما أصبح من الممكن الحصول على سيليكون عالي النقاء وتشكيل أقراص سيليكون كبيرة. في عام 1955 ، تم إنشاء جهاز يتم التحكم فيه بأشباه الموصلات لأول مرة ، وله هيكل من أربع طبقات وكان يسمى "الثايرستور".

تم تشغيله عن طريق تطبيق نبضة على قطب التحكم عند جهد موجب بين الأنود والكاثود. يتم توفير إيقاف تشغيل الثايرستور عن طريق تقليل التيار المباشر المتدفق من خلاله إلى الصفر ، والذي تم من أجله تطوير العديد من مخططات دوائر التحويل الحثي بالسعة. فهي لا تزيد من تكلفة المحول فحسب ، بل تزيد من وزنه وأبعاده ، وتقلل من الموثوقية.

لذلك ، بالتزامن مع إنشاء الثايرستور ، بدأ البحث يهدف إلى ضمان إيقاف تشغيله بواسطة قطب التحكم. كانت المشكلة الرئيسية هي ضمان التبديد السريع لحاملات الشحن في مناطق القاعدة.

ظهر أول ثايرستور في عام 1960 في الولايات المتحدة. كانت تسمى بوابة إيقاف (GTO). في بلدنا ، من المعروف أنها قابلة للقفل أو إيقاف تشغيل الثايرستور.

في منتصف التسعينيات ، تم تطوير ثايرستور قابل للقفل بإخراج حلقي لقطب التحكم. سميت بوابة ثايرستور (GCT) وأصبحت مزيد من التطويرتقنيات GTO.

الثايرستور

جهاز

الثايرستور القابل للقفل عبارة عن جهاز شبه موصل يتم التحكم فيه بالكامل يعتمد على هيكل كلاسيكي من أربع طبقات. يتم تشغيله وإيقافه عن طريق تطبيق نبضات تيار موجب وسالب على قطب التحكم. على التين. 1 تعطى رمز(أ) ومخطط الكتلة (ب) لإيقاف تشغيل الثايرستور. مثل الثايرستور التقليدي ، يحتوي على الكاثود K ، والأنود A ، وقطب التحكم G. تكمن الاختلافات في هياكل الأجهزة في ترتيب مختلف من الطبقات الأفقية والعمودية مع الموصلات n و p.

خضع هيكل طبقة الكاثود n لأكبر تغيير. وهي مقسمة إلى عدة مئات من الخلايا الأولية ، موزعة بالتساوي على المنطقة ومتصلة بالتوازي. هذا التصميم ناتج عن الرغبة في ضمان انخفاض موحد في التيار على كامل مساحة هيكل أشباه الموصلات عند إيقاف تشغيل الجهاز.

الطبقة الأساسية p ، على الرغم من أنها مصنوعة ككل ، تحتوي على عدد كبير من جهات الاتصال لقطب التحكم (يساوي تقريبًا عدد خلايا الكاثود) ، موزعة أيضًا بشكل موحد على المنطقة ومتصلة بالتوازي. تتكون الطبقة الأساسية n بشكل مشابه للطبقة المقابلة من الثايرستور التقليدي.

تحتوي طبقة الأنود p على تحويلات (مناطق ن) تربط القاعدة n بوصلة الأنود من خلال مقاومات موزعة صغيرة. تُستخدم تحويلات الأنود في الثايرستور التي لا تتمتع بقدرة منع عكسية. وهي مصممة لتقليل وقت إيقاف تشغيل الجهاز عن طريق تحسين ظروف استخراج الشحنات من المنطقة الأساسية n.

التصميم الرئيسي لـ GTO الثايرستور هو نوع من الحبيبات مع رقاقة من السيليكون بأربع طبقات محصورة من خلال أقراص الموليبدينوم المعادلة حرارياً بين قاعدتين نحاسيتين مع زيادة التوصيل الحراري والكهربائي. يلامس قطب التحكم الذي له خرج في علبة خزفية رقاقة السيليكون. يتم تثبيت الجهاز عن طريق أسطح ملامسة بين نصفين من المبردات المعزولة عن بعضهما البعض ولها تصميم يحدده نوع نظام التبريد.

مبدأ التشغيل

هناك أربع مراحل في دورة تشغيل GTO الثايرستور: تشغيل ، حالة التوصيل ، إيقاف التشغيل وحالة الحجب.

في مقطع تخطيطي من هيكل الثايرستور (الشكل 1 ، ب) ، يكون الطرف السفلي للهيكل أنوديك. الأنود ملامس للطبقة P. ثم من الأسفل إلى الأعلى: الطبقة الأساسية n ، الطبقة الأساسية p (بها سلك تحكم قطب كهربائي) ، الطبقة n في اتصال مباشر مع سلك الكاثود. أربع طبقات تشكل ثلاث تقاطعات p-n: j1 بين الطبقتين p و n ؛ j2 بين الطبقتين n و p ؛ j3 بين الطبقات p و n.

المرحلة 1- تضمين. لا يمكن تحويل هيكل الثايرستور من حالة الحظر إلى حالة التوصيل (التبديل) إلا عند تطبيق جهد مباشر بين الأنود والكاثود. يتم إزاحة التحولات j1 و j3 في الاتجاه الأمامي ولا تمنع مرور ناقلات الشحن. يتم تطبيق الجهد بالكامل على التقاطع الأوسط j2 ، وهو منحاز عكسيًا. بالقرب من الانتقال j2 ، يتم تشكيل منطقة مستنفدة في حاملات الشحنة ، والتي تسمى منطقة الشحن الفضائي. لتشغيل الثايرستور GTO ، يتم تطبيق جهد قطبية موجبة U G على قطب التحكم والكاثود من خلال دائرة التحكم (الإخراج "+" إلى الطبقة p). نتيجة لذلك ، يتدفق تيار التشغيل I G عبر الدائرة.

يضع الثايرستور المغلق متطلبات صارمة على وقت الصعود dIG / dt وسعة التحكم IGM الحالي. من خلال الانتقال j3 ، بالإضافة إلى تيار التسرب ، يبدأ تيار التشغيل I G في التدفق. سيتم حقن الإلكترونات التي تولد هذا التيار من الطبقة n إلى الطبقة p. علاوة على ذلك ، سيتم نقل بعضها بواسطة المجال الكهربائي لانتقال القاعدة j2 إلى الطبقة n.

في نفس الوقت ، سيزداد الحقن المضاد للثقوب من الطبقة p إلى الطبقة n ثم إلى الطبقة p ، أي ستكون هناك زيادة في التيار الذي تم إنشاؤه بواسطة ناقلات شحن الأقلية.

يتجاوز إجمالي التيار الذي يمر عبر انتقال القاعدة j2 تيار التشغيل ، ويفتح الثايرستور ، وبعد ذلك ستمر حاملات الشحن بحرية عبر جميع مناطقها الأربع.

المرحلة الثانية- الحالة الموصلة. في وضع التدفق الحالي المباشر ، ليست هناك حاجة للتحكم في التيار I G إذا تجاوز التيار في دائرة الأنود تيار التثبيت. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، من أجل إيقاف تشغيل جميع هياكل الثايرستور لتكون باستمرار في حالة موصلة ، لا يزال من الضروري الحفاظ على التيار المقدم لنوع معين نظام درجة الحرارة. وبالتالي ، طوال وقت التبديل وحالة التوصيل ، يولد نظام التحكم نبضة حالية ذات قطبية موجبة.

في حالة التوصيل ، توفر جميع مناطق هيكل أشباه الموصلات حركة منتظمة لحاملات الشحن (الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب ، والثقوب في الاتجاه المعاكس). يتدفق تيار الأنود عبر الوصلات j1 ، j2 ، ويتدفق التيار الكلي للأنود وقطب التحكم عبر الوصلة j3.

المرحلة 3- اغلق. لإيقاف تشغيل الثايرستور GTO بقطبية جهد ثابت U T (انظر الشكل 3) ، يتم تطبيق جهد قطبية سالبة UGR على قطب التحكم والكاثود من خلال دائرة التحكم. يتسبب في تيار فصل ، يؤدي تدفقه إلى ارتشاف حاملات الشحنة الرئيسية (الثقوب) في الطبقة الأساسية p. بمعنى آخر ، هناك إعادة تركيب للثقوب التي دخلت الطبقة p من الطبقة الأساسية n والإلكترونات التي دخلت نفس الطبقة عبر قطب التحكم.

عندما يتم تحرير تقاطع القاعدة j2 منها ، يبدأ الثايرستور في الانغلاق. تتميز هذه العملية بانخفاض حاد في التيار الأمامي I T للثايرستور خلال فترة زمنية قصيرة إلى قيمة صغيرة I TQT (انظر الشكل 2). مباشرة بعد حظر الانتقال الأساسي j2 ، يبدأ الانتقال j3 في الإغلاق ، ومع ذلك ، نظرًا للطاقة المخزنة في محاثة دوائر التحكم ، فإنها تظل في حالة مواربة لبعض الوقت.

أرز. 2. رسوم بيانية للتغير في تيار الأنود (iT) وإلكترود التحكم (iG)

بعد استخدام كل الطاقة المخزنة في محاثة دائرة التحكم ، يتم حظر التقاطع j3 على جانب الكاثود تمامًا. من هذه النقطة فصاعدًا ، يكون التيار عبر الثايرستور مساويًا لتيار التسرب الذي يتدفق من القطب الموجب إلى الكاثود عبر دائرة إلكترود التحكم.

تعتمد عملية إعادة التركيب ، وبالتالي ، إيقاف تشغيل الثايرستور المسور إلى حد كبير على شدة انحدار dIGQ / dt الأمامي والسعة I GQ تيار عكسيإدارة. لضمان الانحدار والسعة المطلوبين لهذا التيار ، يجب تطبيق جهد UG على قطب التحكم ، والذي يجب ألا يتجاوز القيمة المسموح بها للانتقال j3.

المرحلة 4- حالة الحجب: في حالة الحجب ، يظل جهد قطبية سالب U GR من وحدة التحكم مطبقًا على قطب التحكم والكاثود. يتدفق التيار الإجمالي I GR عبر دائرة التحكم ، التي تتكون من تيار تسرب الثايرستور وتيار التحكم العكسي الذي يمر عبر تقاطع j3. يتم إزاحة الانتقال j3 في الاتجاه المعاكس. وبالتالي ، في GTO الثايرستور ، الذي هو في حالة الحظر الأمامي ، يكون هناك تقاطعان (j2 و j3) متحيزان عكسيًا ويتم تشكيل منطقتين للشحن الفضائي.

طوال وقت الإغلاق وحالة المنع ، يولد نظام التحكم نبضة قطبية سالبة.

دوائر الحماية

يتطلب استخدام GTO الثايرستور استخدام دوائر حماية خاصة. إنها تزيد من الوزن والأبعاد ، وتكلفة المحول ، وتتطلب أحيانًا أجهزة تبريد إضافية ، ولكنها ضرورية الأداء الطبيعيالأجهزة.

الغرض من أي دائرة حماية هو الحد من معدل التدفق لأحد المعلمتين طاقة كهربائيةعند تبديل جهاز أشباه الموصلات. في هذه الحالة ، يتم توصيل مكثفات الدائرة الواقية CB (الشكل 3) بالتوازي مع الجهاز المحمي T. فهي تحد من معدل ارتفاع الجهد الأمامي dUT / dt عند إيقاف تشغيل الثايرستور.

يتم تثبيت المحاثات LE في سلسلة مع الجهاز T. فهي تحد من معدل ارتفاع التيار الأمامي dIT / dt عند تشغيل الثايرستور. يتم تطبيع قيم dUT / dt و dIT / dt لكل جهاز ، ويشار إليها في الكتب المرجعية وبيانات جواز السفر للأجهزة.

أرز. 3. مخطط دائرة الحماية

بالإضافة إلى المكثفات والموانع ، يتم استخدام عناصر إضافية في الدوائر الواقية لضمان تفريغ وشحن العناصر التفاعلية. وتشمل هذه: الصمام الثنائي DВ ، الذي يحول المقاوم RB عند إيقاف تشغيل الثايرستور T وشحن المكثف CB ، والمقاوم RB ، الذي يحد من تيار التفريغ للمكثف CB عند تشغيل الثايرستور T.

نظام التحكم

يحتوي نظام التحكم (CS) على ما يلي كتل الوظائف: دائرة تمكين ، تتكون من دائرة لتوليد نبضة فتح ومصدر إشارة للحفاظ على الثايرستور في الحالة المفتوحة ؛ حجب دائرة توليد الإشارة ؛ دائرة لإبقاء الثايرستور مغلقًا.

لا تحتاج جميع أنواع أنظمة التحكم إلى جميع الكتل المدرجة ، ولكن يجب أن يحتوي كل نظام تحكم على الدوائر لتوليد نبضات الفتح والقفل. في هذه الحالة ، من الضروري توفير عزل كلفاني لدائرة التحكم ودائرة الطاقة للثايرستور المراد إيقاف تشغيلهما.

للتحكم في تشغيل الثايرستور المراد إيقاف تشغيله ، يتم استخدام نظامي تحكم رئيسيين يختلفان في طرق توفير إشارة لقطب التحكم. في الحالة الموضحة في الشكل. في الشكل 4 ، تخضع الإشارات الناتجة عن الكتلة المنطقية St لعزل كلفاني (فصل محتمل) ، وبعد ذلك يتم تغذيتها من خلال المفاتيح SE و SA إلى قطب التحكم في الثايرستور T المراد إيقاف تشغيله. تعمل الإشارات أولاً على المفاتيح SE (قيد التشغيل) و SA (إيقاف التشغيل) ، والتي تكون تحت نفس الإمكانات مثل SU ، ثم يتم تغذية قطب التحكم من خلال أجهزة العزل الجلفاني UE و UA.

اعتمادًا على موقع المفاتيح SE و SA ، يتم تمييز مخططات التحكم ذات الإمكانات المنخفضة (NPSU) وعالية الإمكانات (VPSU ، الشكل 4).

أرز. 4. خيار دائرة التحكم

نظام التحكم NPCS أبسط من الناحية الهيكلية من VPSU ، لكن قدراته محدودة من حيث توليد إشارات تحكم طويلة الأمد تعمل في وضع التدفق الحالي المباشر من خلال الثايرستور الحالي المباشر ، وكذلك في ضمان انحدار نبضات التحكم. لتشكيل إشارات طويلة الأمد ، من الضروري استخدام دوائر دفع وسحب أكثر تكلفة.

في VPSU ، يتم تحقيق الانحدار العالي وزيادة مدة إشارة التحكم بسهولة أكبر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم هنا استخدام إشارة التحكم بالكامل ، بينما في NPSU تكون قيمتها محدودة بواسطة جهاز فصل محتمل (على سبيل المثال ، محول نبضي).

عادة ما يتم تغذية إشارة المعلومات - أمر للتشغيل أو الإيقاف - إلى الدائرة من خلال محول إلكتروني ضوئي.

الثايرستور

في منتصف التسعينيات ، تطورت ABB و Mitsubishi النوع الجديدالثايرستور بوابة تبديل الثايرستور (GCT). في الواقع ، GCT هو تحسين إضافي لـ GTO ، أو تحديثه. ومع ذلك ، في الأساس تصميم جديدقطب التحكم ، بالإضافة إلى العمليات المختلفة بشكل ملحوظ التي تحدث عند إيقاف تشغيل الجهاز ، تجعله مناسبًا للنظر فيه.

تم تصميم GCT ليكون خاليًا من عيوب GTO ، لذلك نحتاج أولاً إلى معالجة المشكلات التي تنشأ عند استخدام GTO.

العيب الرئيسي لـ GTO هو فقدان الطاقة الكبير في الدوائر الواقية للجهاز أثناء التبديل. تؤدي زيادة التردد إلى زيادة الخسائر ، وبالتالي ، في الممارسة العملية ، يتم تبديل الثايرستور GTO بتردد لا يزيد عن 250-300 هرتز. تحدث الخسائر الرئيسية في المقاوم RB (انظر الشكل 3) عند إيقاف تشغيل الثايرستور T ، وبالتالي ، يتم تفريغ المكثف CB.

تم تصميم Capacitor CB للحد من معدل ارتفاع الجهد الأمامي du / dt عند إيقاف تشغيل الجهاز. من خلال جعل الثايرستور غير حساس لتأثير du / dt ، كان من الممكن التخلي عن دائرة snubber (دائرة تشكيل مسار التبديل) ، والتي تم تنفيذها في تصميم GCT.

ميزة التحكم والتصميم

السمة الرئيسية لثايرستور GCT ، مقارنة بأجهزة GTO ، هي الإغلاق السريع ، والذي يتحقق من خلال تغيير مبدأ التحكم وتحسين تصميم الجهاز. يتم تنفيذ الإغلاق السريع عن طريق تحويل هيكل الثايرستور إلى ترانزستور عند إيقاف تشغيل الجهاز ، مما يجعل الجهاز غير حساس لتأثير du / dt.

يتم التحكم في GCT في مراحل التشغيل والتوصيل والحجب بنفس طريقة GTO. عند إيقاف التشغيل ، يكون للتحكم في GCT ميزتين:

• تيار التحكم Ig يساوي أو أكبر من تيار الأنود Ia (بالنسبة لـ GTO الثايرستور Ig هو 3 إلى 5 مرات أقل) ؛
• يحتوي قطب التحكم على محاثة منخفضة ، مما يجعل من الممكن تحقيق معدل حفر / dt للتحكم يبلغ 3000 A / s أو أكثر (بالنسبة إلى GTO الثايرستور ، تكون قيمة الحفر / dt 30-40 A / s).

أرز. التين. 5. توزيع التيارات في هيكل الثايرستور GCT عند إيقاف تشغيله

على التين. يوضح الشكل 5 توزيع التيارات في هيكل الثايرستور GCT عند إيقاف تشغيل الجهاز. كما هو مذكور ، فإن عملية التشغيل تشبه تشغيل GTO الثايرستور. عملية الاغلاق مختلفة. بعد تطبيق نبضة تحكم سالبة (-Ig) مساوية في السعة لتيار الأنود (Ia) ، ينحرف التيار المباشر بالكامل الذي يمر عبر الجهاز إلى نظام التحكم ويصل إلى الكاثود ، متجاوزًا الانتقال j3 (بين المناطق p و n ). يتم إزاحة مفترق j3 في الاتجاه المعاكس والكاثود الترانزستور npnيغلق. إن إيقاف تشغيل GCT يشبه إيقاف تشغيل أي ترانزستور ثنائي القطب ، والذي لا يتطلب محددًا خارجيًا لمعدل dv / dt وبالتالي يسمح بغياب دائرة snubber.

يرجع التغيير في تصميم GCT إلى حقيقة أن العمليات الديناميكية التي تحدث في الجهاز عند إيقاف تشغيله تستمر بمعدل أو اثنين من حيث الحجم أسرع من GTO. لذلك ، في حين أن الحد الأدنى لوقت الإيقاف والحظر لـ GTO هو 100 s ، فإن هذه القيمة بالنسبة لـ GCT لا تتجاوز 10 s. معدل دوران تيار التحكم عند إيقاف تشغيل GCT هو 3000 A / s ، لا يتجاوز GTO 40 A / µs.

لضمان ديناميكيات عالية لعمليات التحويل ، قمنا بتغيير تصميم خرج قطب التحكم وتوصيل الجهاز بمشكل النبض لنظام التحكم. يكون الإخراج حلقيًا ، يحيط بالجهاز حول المحيط. تمر الحلقة عبر الجسم الخزفي للثايرستور وتتلامس: بالداخل مع خلايا قطب التحكم ؛ في الخارج - بلوحة تربط قطب التحكم بمشكل النبض.

الآن يتم إنتاج الثايرستور GTO من قبل العديد من الشركات الكبيرة في اليابان وأوروبا: "توشيبا" ، "هيتاشي" ، "ميتسوبيشي" ، "إيه بي بي" ، "يوبيك". معلمات جهد الجهاز UDRM: 2500 V ، 4500 V ، 6000 V ؛ ITGQM الحالي (أقصى تيار إيقاف متكرر): 1000 A ، 2000 A ، 2500 A ، 3000 A ، 4000 A ، 6000 A.

يتم تصنيع الثايرستور GCT بواسطة Mitsubishi و ABB. تم تصميم الأجهزة لجهد UDRM يصل إلى 4500 فولت وتيار ITGQM يصل إلى 4000 أمبير.

في الوقت الحاضر ، تم إتقان الثايرستور GCT و GTO في المؤسسة الروسية OAO Elektrovypryamitel (سارانسك).) وغيرها بقطر رقاقة سيليكون يصل إلى 125 ملم ونطاق جهد UDRM 1200-6000 فولت وتيارات ITGQM 630-4000 أمبير.

بالتوازي مع الثايرستور القابل للقفل وللاستخدام معهما ، طورت شركة JSC Elektrovypryamitel الثنائيات سريعة الاستعادة وإنتاجها الضخم لدوائر التخميد (snubber) وثنائيات التيار العكسي ، بالإضافة إلى ترانزستور نبضي قوي لمراحل إخراج التحكم سائق (نظام التحكم).

الثايرستور IGCT

بفضل مفهوم التحكم الصارم (الضبط الدقيق لمقاطع السبائك ، وتكنولوجيا ميسا ، وتشعيع البروتون والإلكترون لإنشاء توزيع خاص لمراكز إعادة التركيب الخاضعة للرقابة ، وتكنولوجيا ما يسمى بالبواعث الشفافة أو الرقيقة ، واستخدام طبقة عازلة في منطقة القاعدة n ، وما إلى ذلك) ، كان من الممكن تحقيق تحسن كبير في خصائص GTO عند إيقاف التشغيل. كان التقدم الكبير التالي في تقنية Hard Driven GTO (HD GTO) فيما يتعلق بالجهاز والتحكم والتطبيق هو فكرة الأجهزة المدفوعة القائمة على الثايرستور المدمج بالبوابة الجديدة (IGCT). بفضل تقنية التحكم الصارم ، يعمل التبديل المنتظم على زيادة منطقة التشغيل الآمنة لـ IGCT إلى الحدود التي يحدها الانهيار الجليدي ، أي للقدرات الفيزيائية للسيليكون. لا توجد دوائر حماية du / dt مطلوبة. أدى الجمع بين الأداء المحسن لفقدان الطاقة إلى فتح تطبيقات جديدة في نطاق كيلوهرتز. يتم تقليل الطاقة المطلوبة للقيادة بمعامل 5 مقارنة بأجهزة GTO القياسية ، ويرجع ذلك أساسًا إلى تصميم الأنود الشفاف. عائلة جديدة من أدوات IGCT ، ذات مستوى عالٍ متكامل متآلف الثنائيات القويةتم تطويره للاستخدام في النطاق 0.5- 6 ميجا فولت * أ. مع الجدوى الفنية الحالية متسقة و اتصال موازيةتسمح لك أجهزة IGCT بزيادة مستوى الطاقة إلى عدة مئات من الميجافولت - أمبير.

مع وحدة تحكم متكاملة ، يتم تقليل تيار الكاثود قبل أن يبدأ جهد الأنود في الزيادة. يتم تحقيق ذلك بسبب المحاثة المنخفضة جدًا لدائرة البوابة التي تتحقق من خلال الاتصال المحوري لقطب البوابة بالاقتران مع لوحة وحدة التحكم متعددة الطبقات. نتيجة لذلك ، أصبح من الممكن تحقيق قيمة معدل التيار المغلق البالغ 4 كيلو أمبير / ميكرو ثانية. مع جهد التحكم UGK = 20 فولت عندما يصبح تيار الكاثود صفرًا ، يمر تيار الأنود المتبقي إلى وحدة التحكم ، والتي تتمتع في تلك اللحظة بمقاومة منخفضة. نتيجة لذلك ، يتم تقليل استهلاك الطاقة لوحدة التحكم.

بالعمل مع التحكم "الصعب" ، يتحول الثايرستور من الدول p-n-p-nفي وضع pnpلمدة 1 s. يحدث الإغلاق بالكامل في وضع الترانزستور ، مما يلغي أي احتمال لحدوث تأثير الزناد.

يتم تقليل سمك الجهاز باستخدام طبقة عازلة على جانب الأنود. تعمل الطبقة العازلة لأشباه موصلات الطاقة على تحسين أداء العناصر التقليدية عن طريق تقليل سمكها بنسبة 30٪ في نفس جهد الانهيار الأمامي. الميزة الرئيسية للعناصر الرقيقة هي تحسين الخصائص التكنولوجية مع خسائر ثابتة وديناميكية منخفضة. تتطلب هذه الطبقة العازلة في جهاز من أربع طبقات القضاء على قصور الأنود ، مع الحفاظ على كفاءة إطلاق الإلكترون أثناء إيقاف التشغيل. يجمع IGCT الجديد بين طبقة عازلة وباعث أنود شفاف. الأنود الشفاف هو تقاطع pn مع كفاءة باعث يتم التحكم فيها حاليًا.

للحصول على أقصى مناعة ضد الضوضاء والاكتناز ، تحيط وحدة التحكم IGCT ، وتشكل هيكلًا واحدًا مع المبرد ، وتحتوي فقط على ذلك الجزء من الدائرة الضروري للتحكم في IGCT مباشرة. نتيجة لذلك ، يتم تقليل عدد عناصر وحدة التحكم ، وتقليل معايير تبديد الحرارة ، والحمل الزائد الكهربائي والحراري. لذلك ، يتم أيضًا تقليل تكلفة وحدة التحكم ومعدل الفشل بشكل كبير. يستقر IGCT ، مع صندوق التحكم المدمج الخاص به ، في الوحدة بسهولة وبدقة يتصل بمصدر الطاقة والتحكم في مصدر الإشارة عبر الألياف الضوئية. بمجرد فتح الزنبرك ، بفضل نظام ملامس الضغط الدقيق ، يتم تطبيق IGCT بقوة ضغط محسوبة بشكل صحيح ، مما يخلق اتصالًا كهربائيًا وحراريًا. وبالتالي ، يتم تحقيق أقصى سهولة في التجميع وأكبر قدر من الموثوقية. عند تشغيل IGCT بدون جهاز تنفس ، يجب أن تعمل العجلة الحرة أيضًا بدون جهاز تنفس. يتم استيفاء هذه المتطلبات من خلال الصمام الثنائي المشبك عالي الطاقة والأداء المصنوع باستخدام عملية تشعيع مقترنة بالعمليات الكلاسيكية. يتم تحديد القدرة على توفير ثنائي / dt من خلال تشغيل الصمام الثنائي (انظر الشكل 6).

أرز. 6. رسم تخطيطي مبسط لعاكس ثلاثي الطور على IGCT

المصنع الرئيسي لـ IGCTs هو ABB معلمات جهد الثايرستور U DRM: 4500 V، 6000 V؛ ITGQM الحالي: 3000 أ ، 4000 أ.

استنتاج

أدى التطور السريع في أوائل التسعينيات من تقنية ترانزستور الطاقة إلى ظهور فئة جديدة من الأجهزة - الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة بالبوابة (IGBT - ترانزستورات معزولة ثنائية القطب للبوابة). تتمثل المزايا الرئيسية لـ IGBT في ترددات التشغيل العالية والكفاءة والبساطة والاكتناز في دوائر التحكم (بسبب تيار التحكم المنخفض).

أدى ظهور IGBTs في السنوات الأخيرة بجهد تشغيل يصل إلى 4500 فولت والقدرة على تبديل التيارات حتى 1800 أمبير إلى إزاحة الثايرستور (GTO) في الأجهزة التي تصل طاقتها إلى 1 ميجاوات والجهد حتى 3.5. كيلو فولت.

ومع ذلك ، فإن أجهزة IGCT الجديدة ، القادرة على العمل عند تبديل الترددات من 500 هرتز إلى 2 كيلو هرتز وبأداء أعلى من ترانزستورات IGBT ، تجمع بين المزيج الأمثل لتقنيات الثايرستور التي أثبتت فعاليتها مع خسائرها المنخفضة المتأصلة ، وتقنية إيقاف التشغيل غير القابلة للاشتعال وذات الكفاءة العالية من خلال العمل على إلكترود التحكم. يعتبر IGCT اليوم الحل الأمثل للتطبيقات في إلكترونيات الطاقة ذات الجهد المتوسط ​​والعالي.

ترد في الجدول خصائص مفاتيح الطاقة القوية الحديثة ذات المشتت الحراري على الوجهين. واحد.

الجدول 1. خصائص مفاتيح الطاقة العالية الحديثة ذات المشتت الحراري على الوجهين

نوع الجهاز	مزايا	عيوب	مجالات الاستخدام
الثايرستور التقليدي (SCR)	أقل خسارة على مستوى الدولة. أعلى سعة للحمل الزائد. موثوقية عالية. سهل التوصيل بالتوازي والتسلسل.	غير قادر على القفل القسري لقطب التحكم. تردد تشغيل منخفض.	محرك DC مزودات طاقة قوية اللحام. ذوبان وتسخين معوضات ثابتة مفاتيح التيار المتردد
GTO	القدرة على التحكم في القفل. قدرة عالية نسبيا للحمل الزائد. إمكانية اتصال تسلسلي. ترددات تشغيل تصل إلى 250 هرتز بجهد حتى 4 كيلو فولت.	خسائر كبيرة على مستوى الدولة. خسائر كبيرة جدًا في نظام التحكم. أنظمة تحكم متطورة وإمدادات الطاقة للإمكانات. خسائر تحويل كبيرة.	محرك كهربائي؛ معوضات ثابتة [عامة] الأنظمة مصدر طاقة غير منقطع؛ التعريفي التدفئة
IGCT	القدرة على التحكم في القفل. سعة التحميل الزائد هي نفسها GTO. خسائر تحويل منخفضة في الحالة. تردد التشغيل - حتى الوحدات ، كيلو هرتز. وحدة تحكم مدمجة (سائق). إمكانية التوصيل التسلسلي.	لم يتم تحديده بسبب نقص الخبرة التشغيلية	مصادر الطاقة القوية (المحولات الفرعية للعاكس والمعدلات لخطوط نقل التيار المستمر) ؛ محرك كهربائي (محولات الجهد لمحولات التردد والمحركات الكهربائية لأغراض مختلفة)
IGBT	القدرة على التحكم في القفل. أعلى تردد تشغيل (حتى 10 كيلو هرتز). نظام تحكم بسيط كثيف الطاقة. سائق مدمج.	خسائر كبيرة للغاية على مستوى الدولة.	محرك كهربائي (مروحيات) ؛ أنظمة الطاقة غير المنقطعة المعوضات الثابتة والمرشحات النشطة ؛ إمدادات الطاقة الرئيسية

الجمعة ، 20 تموز (يوليو) 2012 10:00:00

مبدأ عمل الثايرستور

الثايرستور هو مفتاح كهربائي إلكتروني غير متحكم فيه بالكامل. لذلك ، يُطلق عليه أحيانًا في الأدبيات الفنية الثايرستور أحادي العملية ، والذي لا يمكن نقله إلا إلى حالة موصلة بواسطة إشارة تحكم ، أي تشغيل. لإيقاف تشغيله (عند العمل على العاصمة) ، من الضروري اتخاذ تدابير خاصة لضمان انخفاض التيار المباشر إلى الصفر.

يمكن لمفتاح الثايرستور توصيل التيار في اتجاه واحد فقط ، وعند إغلاقه ، يكون قادرًا على تحمل كل من الجهد الأمامي والخلفي.

يحتوي الثايرستور على هيكل من أربع طبقات p-n-p-n مع ثلاثة أطراف: الأنود (A) والكاثود (C) وقطب التحكم (G) ، كما هو موضح في الشكل. واحد

أرز. 1. الثايرستور العادي: أ) - تعيين الرسم التقليدي ؛ ب) - خاصية الجهد الحالي.

على التين. يُظهر 1b عائلة من خصائص I-V الساكنة للإخراج لقيم مختلفة للتحكم iG الحالي. الحد الأقصى للجهد الأمامي الذي يمكن أن يتحمله الثايرستور دون تشغيله له قيمة قصوى عند iG = 0. مع زيادة iG الحالي ، ينخفض ​​الجهد الأمامي الذي يستطيع الثايرستور تحمله. يتوافق الفرع الثاني مع حالة الثايرستور ، بينما يتوافق الفرع الأول مع حالة إيقاف التشغيل ، ويتوافق الفرع الثالث مع عملية التبديل. التيار القابضة أو التيار المستمر يساوي الحد الأدنى المسموح به للتيار الأمامي iA الذي يظل عنده الثايرستور في حالة موصلة. تتوافق هذه القيمة أيضًا مع أدنى قيمة ممكنة لانخفاض الجهد المباشر عبر الثايرستور المشمول.

الفرع الرابع هو اعتماد تيار التسرب على الجهد العكسي. عندما يتجاوز الجهد العكسي قيمة UBO ، تبدأ زيادة حادة في التيار العكسي ، مرتبطة بانهيار الثايرستور. قد تتوافق طبيعة الانهيار مع عملية لا رجعة فيها أو عملية انهيار الانهيار الجليدي المتأصلة في تشغيل الصمام الثنائي زينر أشباه الموصلات.

الثايرستور هي الأقوى مفاتيح إلكترونيةقادرة على تبديل الدوائر بجهد يصل إلى 5 كيلو فولت والتيارات حتى 5 كيلو أمبير بتردد لا يزيد عن 1 كيلو هرتز.

يظهر تصميم الثايرستور في الشكل. 2.

أرز. 2. تصميم حالات الثايرستور: أ) - قرص. ب) - دبوس

الثايرستور في دائرة التيار المستمر

يتم تضمين الثايرستور التقليدي عن طريق تطبيق نبضة تيار على دائرة التحكم ذات القطبية الموجبة ، بالنسبة للقطب السالب. تتأثر مدة الانتقال عند التشغيل بشكل كبير بطبيعة الحمل (نشط ، حثي ، إلخ) ، سعة ومعدل ارتفاع نبض تيار التحكم iG ، درجة حرارة هيكل أشباه الموصلات للثايرستور ، الجهد المطبق وتحميل التيار. في دارة تحتوي على الثايرستور ، لا ينبغي أن تحدث معدلات جهد أمامية غير مقبولة duAC / dt ، حيث يمكن تشغيل الثايرستور تلقائيًا في حالة عدم وجود إشارة تحكم iG ومعدل التيار الكبير diA / dt. في الوقت نفسه ، يجب أن يكون منحدر إشارة التحكم مرتفعًا.

من بين طرق إيقاف تشغيل الثايرستور ، من المعتاد التمييز بين الإغلاق الطبيعي (أو التبديل الطبيعي) والقسري (أو التبديل الاصطناعي). يحدث التبديل الطبيعي أثناء تشغيل الثايرستور في دوائر التيار المتردد في الوقت الذي ينخفض ​​فيه التيار إلى الصفر.

طرق التحويل القسري متنوعة للغاية. أكثرها شيوعًا هي ما يلي: توصيل مكثف مشحون مسبقًا C بالمفتاح S (الشكل 3 ، أ) ؛ توصيل دائرة LC بمكثف مشحون مسبقًا CK (الشكل 3 ب) ؛ استخدام الطبيعة التذبذبية للعملية العابرة في دائرة الحمل (الشكل 3 ، ج).

أرز. 3. طرق التحويل الاصطناعي للثايرستور: أ) - عن طريق مكثف مشحون C ؛ ب) - عن طريق التفريغ التذبذب لدائرة LC ؛ ج) - بسبب الطبيعة التذبذبية للحمل

عند التبديل وفقًا للمخطط في الشكل. 3 ، اتصالمكثف مع عكس القطبية، على سبيل المثال ، الثايرستور الإضافي الآخر ، سوف يتسبب في تصريفه إلى الثايرستور الرئيسي الموصل. نظرًا لأن تيار التفريغ للمكثف يتم توجيهه عكس التيار المباشر للثايرستور ، فإن الأخير ينخفض ​​إلى الصفر وينطفئ الثايرستور.

في الرسم التخطيطي في التين. في الشكل 3 ب ، يؤدي توصيل دائرة LC إلى تفريغ تذبذب لمكثف التبديل Sk. في الوقت نفسه ، في البداية ، يتدفق تيار التفريغ عبر الثايرستور عكس تياره المباشر ، عندما يصبحان متساويين ، ينطفئ الثايرستور. علاوة على ذلك ، يمر تيار دائرة LC من الثايرستور VS إلى الصمام الثنائي VD. طالما أن تيار الدائرة يتدفق عبر الصمام الثنائي VD ، فسيتم تطبيق جهد عكسي على الثايرستور VS ، يساوي انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي المفتوح.

في الرسم التخطيطي في التين. 3 ، تشملالثايرستور مقابل حمولة RLC المعقدة سوف تسبب عابرًا. مع معلمات تحميل معينة ، يمكن أن تكون هذه العملية متذبذبة مع تغيير في قطبية تيار الحمل i. في هذه الحالة ، بعد إيقاف تشغيل الثايرستور VS ، يتم تشغيل الصمام الثنائي VD ، والذي يبدأ في إجراء تيار من القطبية المعاكسة. في بعض الأحيان تسمى طريقة التحويل هذه شبه طبيعية ، لأنها مرتبطة بتغيير قطبية تيار الحمل.

الثايرستور في دائرة التيار المتردد

عندما يتم توصيل الثايرستور بدائرة تيار متناوب ، يمكن إجراء العمليات التالية:

• التمكين والتعطيل دائرة كهربائيةمع الحمل النشط والفعال التفاعلي ؛
• التغيير في القيم المتوسطة والفعالة للتيار من خلال الحمل بسبب حقيقة أنه من الممكن ضبط لحظة إشارة التحكم.

لأن مفتاح الثايرستور قادر على إجراء كهرباءفقط في اتجاه واحد ، ثم لاستخدام الثايرستور في التيار المتردد ، يتم استخدام اتصالهم المضاد الموازي (الشكل 4 ، أ).

أرز. 4. التبديل من الخلف إلى الخلف للثايرستور (أ) والشكل الحالي عند الحمل النشط (ب)

تختلف القيم الحالية المتوسطة والفعالة بسبب التغيير في اللحظة التي يتم فيها تطبيق إشارات الفتح على الثايرستور VS1 و VS2 ، أي عن طريق تغيير الزاوية و (الشكل 4 ب). يتم تغيير قيم هذه الزاوية للثايرستور VS1 و VS2 أثناء التنظيم في وقت واحد بمساعدة نظام التحكم. تسمى الزاوية بزاوية التحكم أو زاوية إطلاق الثايرستور.

الأكثر استخدامًا في الأجهزة الإلكترونية للطاقة هي الطور (الشكل 4 ، أ ، ب) والتحكم في عرض النبض للثايرستور (الشكل 4 ، ج).

أرز. 5. نوع الجهد على الحمل عند: أ) - التحكم في طور الثايرستور ؛ ب) - التحكم في طور الثايرستور مع التبديل القسري ؛ ج) - التحكم في عرض النبض للثايرستور

باستخدام طريقة الطور للتحكم في الثايرستور بالتبديل القسري ، يكون تنظيم تيار الحمل ممكنًا عن طريق تغيير الزاوية α والزاوية θ. يتم إجراء التبديل الاصطناعي باستخدام عقد خاصة أو عند استخدام الثايرستور المتحكم فيه بالكامل (مغلق).

من خلال التحكم في عرض النبضة (تعديل عرض النبضة - PWM) ، يتم تطبيق إشارة تحكم على الثايرستور خلال فترة Tocr ، وهي مفتوحة ويتم تطبيق الجهد Un على الحمل. خلال الوقت Tclose ، لا توجد إشارة تحكم ويكون الثايرستور في حالة غير موصلة. القيمة الفعالة للتيار في الحمل

أين في م - تيار الحمل عند Tclosed = 0.

منحنى التيار في الحمل أثناء التحكم في طور الثايرستور غير جيبي ، مما يتسبب في تشويه شكل موجة الجهد الرئيسي والاضطرابات في تشغيل المستهلكين الحساسين للتداخل عالي التردد - يحدث ما يسمى عدم التوافق الكهرومغناطيسي.

الثايرستور قابل للقفل

الثايرستور هي أقوى المفاتيح الإلكترونية المستخدمة في تبديل دوائر الجهد العالي والتيار العالي (التيار العالي). ومع ذلك ، فإن لديهم عيبًا كبيرًا - عدم اكتمال التحكم ، والذي يتجلى في حقيقة أنه من أجل إيقاف تشغيلهم ، من الضروري تهيئة الظروف لتقليل التيار المباشر إلى الصفر. هذا في كثير من الحالات يحد من استخدام الثايرستور ويعقده.

للتخلص من هذا العيب ، تم تطوير الثايرستور الذي يتم تبويبه بواسطة إشارة على طول قطب التحكم G. ويطلق على هذه الثايرستور بوابة إيقاف تشغيل الثايرستور (GTO) أو عملية ثنائية.

يحتوي الثايرستور القابل للقفل (CT) على هيكل مكون من أربع طبقات من p-p-p-p ، ولكن في نفس الوقت لديهم عدد من ميزات التصميم المهمة التي تمنحهم خاصية مختلفة اختلافًا جوهريًا عن الثايرستور التقليدي - خاصية التحكم الكامل. إن الخاصية I-V الساكنة للثايرستور المسور في الاتجاه الأمامي مطابقة للخاصية I-V للثايرستور التقليدي. ومع ذلك ، عادةً ما يكون الثايرستور غير قادر على منع الفولتية العكسية الكبيرة وغالبًا ما يكون متصلاً بصمام ثنائي متتالي. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز الثايرستور القابل للقفل بانخفاض كبير في الجهد الأمامي. لإيقاف تشغيل الثايرستور القابل للقفل ، من الضروري تطبيق نبضة تيار سالب قوي على دائرة قطب التحكم (تقريبًا 1: 5 بالنسبة إلى قيمة تيار الإيقاف المباشر) ، ولكن لمدة قصيرة (10-100) μs).

يحتوي الثايرستور القابل للقفل أيضًا على جهد وتيارات حد أدنى (بحوالي 20-30 ٪) مقارنة بالثايرستور التقليدي.

الأنواع الرئيسية من الثايرستور

بالإضافة إلى الثايرستور القابل للقفل ، تم تطوير مجموعة واسعة من الثايرستور أنواع مختلفة، الاختلاف في السرعة ، وعمليات التحكم ، واتجاه التيارات في حالة التوصيل ، إلخ. من بينها ، يجب ملاحظة الأنواع التالية:

• الثايرستور الثنائي ، وهو ما يعادل الثايرستور مع الصمام الثنائي المتعاقب (الشكل 6.12 ، أ) ؛
• الثايرستور الثنائي (الدينيستور) ، والذي يتحول إلى حالة موصلة عند تطبيق مستوى جهد معين بين A و C (الشكل 6 ، ب) ؛
• الثايرستور القابل للقفل (الشكل 6.12 ، ج) ؛
• الثايرستور المتماثل أو التيرستورات ، وهو ما يعادل ثايرستور متتاليين (الشكل 6.12 ، د) ؛
• الثايرستور العاكس عالي السرعة (وقت إيقاف التشغيل 5-50 µs) ؛
• الثايرستور مع التحكم الميداني في قطب التحكم ، على سبيل المثال ، بناءً على مزيج من MOSFET مع الثايرستور ؛
• optothyristor يتحكم فيه تدفق الضوء.

أرز. 6. التعيين الرسومي التقليدي للثايرستور: أ) - الثايرستور الثنائي ؛ ب) - الثايرستور الثنائي (الدينيستور) ؛ ج) - الثايرستور قابل للقفل ؛ د) - التيرستورات

حماية الثايرستور

الثايرستور هي أجهزة حاسمة لتوجيه معدلات التيار الكبيرة diA / dt والجهد الأمامي duAC / dt. الثايرستور ، مثل الثنائيات ، لها تدفق تيار استرداد عكسي ، والذي ينخفض ​​بشكل حاد إلى الصفر ، مما يؤدي إلى تفاقم احتمالية ارتفاع الجهد الزائد duAC / dt. هذه الفولتية الزائدة هي نتيجة التوقف المفاجئ للتيار في عناصر الدائرة الاستقرائية ، بما في ذلك محاثة الأسلاك الصغيرة. لذلك ، عادة ما يستخدمونها لحماية الثايرستور مخططات مختلفة DFTTP ، والذي يوفر في الأوضاع الديناميكية الحماية ضد قيم diA / dt و duAC / dt غير الصالحة.

في معظم الحالات ، داخلية مفاعلة حثيمصادر الجهد المدرجة في دائرة الثايرستور المضمنة ، تبين أنها كافية لعدم إدخال محاثة إضافية LS. لذلك ، من الناحية العملية ، هناك حاجة في كثير من الأحيان إلى CFTS ، مما يقلل من مستوى وسرعة الجهد الزائد أثناء الإغلاق (الشكل 7).

أرز. 7. دائرة حماية الثايرستور النموذجية

لهذا الغرض ، عادة ما يتم استخدام دارات RC ، متصلة بالتوازي مع الثايرستور. هناك العديد من التعديلات على الدوائر لدوائر RC وطرق لحساب معلماتها لظروف مختلفة من استخدام الثايرستور.

بالنسبة للثايرستور القابل للقفل ، يتم استخدام دارات تشكيل مسار التبديل ، على غرار الدوائر الكهربية لترانزستورات CFTP.