Най-простото включване на тиристор и триак. Тиристорни AC превключватели

За превключване на силови вериги променлив токсе използват предимно тиристори. Те са в състояние да прескачат големи токовес малък спад на напрежението, те се включват сравнително просто чрез прилагане на управляващ импулс с ниска мощност към управляващия електрод. В същото време основният им недостатък - трудността при изключване - не играе роля във веригите с променлив ток, тъй като променливият ток задължително преминава през нула два пъти на период, което осигурява автоматично изключване на тиристора.

Диаграмата на еднофазен тиристорен ключ е показана на фиг. 8.7. Управляващите импулси се формират от анодните напрежения на тиристорите.

Ако на анода на тиристора D1положително полувълново напрежение, тогава, когато ключът е затворен Да сепрез диода ДЗи резистор Да сеуправляващият токов импулс на тиристора ще премине D1.В резултат на това тиристорът D1се включва, анодното напрежение пада почти до нула, управляващият сигнал изчезва, но тиристорът остава в проводящо състояние до края на полупериода, докато анодният ток премине през нула. В другия полупериод, с обратна полярност на мрежовото напрежение, тиристорът се включва по подобен начин D 2.Чао ключ Да сеще бъдат затворени, тиристорите автоматично ще се включват един по един, осигурявайки преминаването на ток от източника към товара.

Такива тиристорни превключватели са в основата на еднофазни и трифазни комутационни устройства.

Като пример, разгледайте тиристорен променливотоков контактор с контролирано анодно напрежение.

Характеристика на полупроводниковите превключващи устройства е, че те могат да изпълняват различни функции без фундаментални промени в силовата част. И така, тиристорният блок, направен съгласно схемата на фиг. 8.5 може да работи еднакво добре като контактор и като ключ. Само чрез замяна на тиристори (промяна на типа, класа на напрежение или групата на устройството по отношение на динамичните параметри) разширява обхвата на устройствата за ток или напрежение. Можете значително да повлияете на работата на веригата с помощта на системата за управление, която ще бъде показана на примера на работата на тиристорен контактор (фиг. 8.8).

Силовият блок на контактора е направен по схемата с антипаралелно свързване на тиристори VS1и VS2.Той се управлява от верига, състояща се от резистори. R1,R2,R3и механичен контакт S. Тази верига е свързана паралелно с тиристорите, следователно, когато ключът е затворен Снапрежение на неговите елементи и по-специално на резистори R1и R3,изменя се синхронно с анодното напрежение на тиристорите. И тъй като тези резистори са свързани паралелно на управляващите вериги на тиристорите, напрежението на една полярност едновременно се увеличава както на анода на тиристора, така и на неговия управляващ електрод.

Ако това напрежение е положително, например по отношение на тиристора VS1,и се отстранява от резистора R1напрежението надвишава напрежението на задействане, тиристор VS1включва се. Когато полярността на напрежението се промени, тиристорът се включва по същия начин. VS2.

Диоди VD1и VD2във веригата са необходими за защита на управляващите вериги на тиристорите от обратно напрежение с отрицателно напрежение на техните аноди.

регулируем резистор R2в управляващата верига се избира от условието за ограничаване на амплитудата на импулса на управляващия ток до стойността, разрешена за използваните тиристори. Като се има предвид, че контактът S може да бъде затворен в интервала на полупериод по всяко време, включително в момента, когато мрежовото напрежение достигне амплитудната стойност хмсъпротивлението на резистора се определя от израза

където R G -собствено съпротивление на управляващата верига на тиристора.

Чрез промяна на съпротивлението на резистора R2възможно е да се контролира тока във входните вериги на тиристорите и следователно момента на тяхното включване по отношение на началото на полупериода на напрежението (фиг. 8.9). В резултат на това контакторът става способен да изпълнява друга функция - регулиране на тока в товара. Граничен ъгъл на закъснение при включване на тиристора амакс, който може да бъде осигурен от верига за управление на резистор, е 90 °. Процесът на регулиране на тока (напрежение, мощност) във веригата чрез промяна на ъгъла на забавяне на включването на тиристора анаречен фазов контрол.

Зависимости на промяна на напрежението от активно натоварванеи течението в него от ъгъла аза разглежданата схема се определят от изразите

Минимален ъгъл на закъснение при включване на тиристори с активен товар а» 2°. Това се дължи на факта, че всички тиристори имат праг на чувствителност за управляващата верига и в допълнение анодното напрежение, променящо се според синусоидалния закон, също трябва да надвишава праговата стойност , поне два пъти.

Тези фактори водят до появата на паузи без ток в кривата на тока на натоварване ( t pна фиг. 8.9). Поради разсейването на характеристиките на управление на тиристора, тези паузи може да не са еднакви по продължителност, което води до появата на постоянен компонент в тока на натоварване.

Ако е необходимо, ъглите на забавяне на включването на тиристорите се изравняват чрез регулиране на управляващите токове чрез промяна на съпротивлението на настройващите резистори R1и R3(фиг. 8.8).

Принципът на работа на тиристора

Абсолютно всеки тиристор може да бъде в две стабилни състояния - затворенили отворен

В затворено състояние той е в състояние на ниска проводимост и почти не протича ток, в отворено състояние, напротив, полупроводникът ще бъде в състояние на висока проводимост, токът преминава през него практически без съпротивление

Можем да кажем, че тиристорът е ключ с електрическо управление. Но всъщност контролният сигнал може да отвори само полупроводника. За да се заключи обратно, е необходимо да се изпълнят условията, насочени към намаляване на тока напред почти до нула.

Структурно тиристорът е последователност от четири слоя стри нтип, образуващ структурата п-н-п-ни свързани последователно.

Една от крайните области, към които е свързан положителният полюс на захранването, се нарича анод, p - тип
Другият, към който е свързан полюсът на отрицателното напрежение, се нарича катод, – тип n
Контролен електродсвързани с вътрешните слоеве.

За да разберете работата на тиристора, разгледайте няколко случая, първият: към управляващия електрод не се прилага напрежение, тиристорът е свързан според динисторната верига - към анода се подава положително напрежение, а към катода - отрицателно напрежение, вижте фигурата.

В този случай колекторният p-n-преход на тиристора е в затворено състояние, а емитерът е отворен. Отворените преходи имат много ниско съпротивление, така че почти цялото напрежение от захранването се прилага към колекторния преход, поради чието високо съпротивление токът, протичащ през полупроводниковото устройство, е много нисък.

На CVC графиката това състояние е подходящо за зоната, маркирана с число 1 .

С повишаване на нивото на напрежение до определена точка токът на тиристора почти не се увеличава. Но достигайки условно критично ниво - напрежение на включване U на, в динистора се появяват фактори, при които започва рязко увеличаване на свободните носители на заряд в колекторния преход, който почти веднага се износва лавинен характер. В резултат на това възниква обратим електрически срив (точка 2 на показаната фигура). AT стр- зоната на колекторния възел се появява излишна зона от натрупани положителни заряди, в н-област, напротив, има натрупване на електрони. Увеличаването на концентрацията на свободни носители на заряд води до спад на потенциалната бариера и на трите прехода и инжектирането на носители на заряд започва през емитерните преходи. Лавинният характер се увеличава още повече и води до превключване на колекторния възел в отворено състояние. В същото време токът се увеличава във всички области на полупроводника, което води до спад на напрежението между катода и анода, показан на графиката по-горе като сегмент, маркиран с числото три. В този момент динисторът има отрицателно диференциално съпротивление. На съпротива R nнапрежението се повишава и полупроводникът се превключва.

След отваряне на колекторния преход I–V характеристиката на динистора става същата като на правия клон - сегмент № 4. След превключване на полупроводниковото устройство напрежението пада до ниво от един волт. В бъдеще повишаването на нивото на напрежение или намаляването на съпротивлението ще доведе до увеличаване на изходния ток, едно към едно, както и работата на диода, когато е директно включен. Ако нивото на захранващото напрежение се намали, високото съпротивление на колекторния възел се възстановява почти мигновено, динисторът се затваря, токът рязко пада.

Включително напрежение U на, може да се регулира чрез въвеждане във всеки от междинните слоеве, до колекторния преход, второстепенни носители на заряд за него.

За целта е създаден специален контролен електрод, захранван от допълнителен източник, от което следва управляващо напрежение – U контрол. Както ясно се вижда от графиката, с увеличаване на U контрола напрежението на включване намалява.

Основни характеристики на тиристорите

U нанапрежение на включване - при него тиристорът преминава в отворено състояние
Uo6p.макс- импулсно повтарящо се обратно напрежение, по време на което възниква електрически пробив p-n прехода. За много тиристори изразът ще бъде верен U o6p.max . = U включено
Imax- максимално допустимата стойност на тока
I Wed- средна текуща стойност за периода U np- директно падане на напрежението при отворен тиристор
Io6p.макс- обратен максимален токизтичане при нанасяне Uo6p.макс, поради движението на второстепенни носители на заряд
аз държаток на задържане - стойността на анодния ток, при който тиристорът е заключен
Pmax- максимална мощност на разсейване
t изключено- време за изключване, необходимо за изключване на тиристора

Заключващи се тиристори- има класическа четирислойна п-н-п-нструктура, но в същото време има редица характеристики на дизайна, давайки такава функционалност като пълна управляемост. Благодарение на това действие от управляващия електрод, заключващите се тиристори могат да преминат не само в отворено състояние от затворено, но и от отворено в затворено. За да направите това, към управляващия електрод се прилага напрежение, противоположно на това, което тиристорът отваря преди това. За блокиране на тиристора на управляващия електрод следва мощен, но кратък по продължителност импулс с отрицателен ток. При използване на заключващи се тиристори трябва да се помни, че техните гранични стойности са с 30% по-ниски от тези на конвенционалните. В схемотехниката заключващите се тиристори се използват активно като електронни превключватели в преобразувателна и импулсна технология.

За разлика от техните четирислойни роднини - тиристори, те имат петслойна структура.

Благодарение на тази структура на полупроводника, те могат да пропускат ток в двете посоки - както от катода към анода, така и от анода към катода, като напрежението на двете полярности се прилага към управляващия електрод. Благодарение на това свойство характеристиката ток-напрежение на триака има симетрична форма в двете координатни оси. Можете да научите за работата на триака от видео урока на връзката по-долу.

Принципът на работа на триака

Ако стандартният тиристор има анод и катод, тогава триак електродите не могат да бъдат описани по този начин, тъй като всеки ъглов електрод е и анод, и катод едновременно. Следователно триакът може да пропуска ток и в двете посоки. Ето защо той работи чудесно в AC вериги.

Много проста схема, обясняваща принципа на триак, е регулатор на мощността на триак.

След подаване на напрежение към един от изходите на триака се подава променливо напрежение. Към електрода, който управлява диодния мост, се подава отрицателно управляващо напрежение. Когато прагът на включване бъде превишен, триакът се отключва и токът преминава към свързания товар. В момента, когато полярността на напрежението се промени на входа на триака, той е заключен. След това алгоритъмът се повтаря.

Колкото по-високо е нивото на управляващото напрежение, толкова по-бързо се задейства триакът и продължителността на импулса при натоварване се увеличава. С намаляване на нивото на управляващото напрежение, продължителността на импулсите върху товара също намалява. На изхода на триак регулатора напрежението ще бъде трион с регулируема продължителност на импулса. По този начин, чрез регулиране на управляващото напрежение, можем да променим яркостта на крушка с нажежаема жичка или температурата на накрайника на поялника, свързан като товар.

Така триакът се управлява както от отрицателно, така и от положително напрежение. Нека подчертаем неговите плюсове и минуси.

Плюсове: ниска цена, дълъг експлоатационен живот, без контакти и в резултат на това без искри и бърборене.
Минуси: доста чувствителен към прегряване и обикновено се монтира на радиатор. Не работи при високи честоти, тъй като няма време да превключи от отворен към затворен. Реагира на външна намеса, която предизвиква фалшиви аларми.

Трябва да се спомене и за характеристиките на монтажа на триаци в съвременната електронна технология.

При ниски натоварвания или ако в него протичат къси съединения импулсни токове, инсталирането на триаци може да се извърши без радиатор. Във всички останали случаи присъствието му е задължително.
Тиристорът може да бъде фиксиран към радиатора с монтажна скоба или винт
За да се намали възможността от фалшиви аларми поради шум, дължината на проводниците трябва да бъде сведена до минимум. Препоръчително е да използвате екраниран кабел или усукана двойка за свързване.

Или оптотиристорите са специализирани полупроводници, чиято конструктивна характеристика е наличието на фотоклетка, която е управляващ електрод.

Модерен и обещаващ тип триак е оптозимисторът. Вместо управляващ електрод в корпуса има светодиод и управлението се осъществява чрез промяна на захранващото напрежение на светодиода. При удар светлинен потокфотоклетка с обратно захранване превключва тиристора в отворено положение. повечето Главна функцияв оптозимистора е, че има пълна галванична изолация между управляващата верига и силовата верига. Това създава просто отлично ниво и надеждност на дизайна.

Клавиши за захранване. Една от основните точки, засягащи търсенето на такива вериги, е ниската мощност, която тиристорът може да разсее в превключващите вериги. В заключено състояние мощността практически не се консумира, тъй като токът е близо до нулеви стойности. И в отворено състояние разсейването на мощността е ниско поради ниските стойности на напрежението.

Прагови устройства- те реализират основното свойство на тиристорите - да се отварят, когато напрежението достигне желаното ниво. Това се използва във фазовите контролери на мощността и релаксиращите осцилатори.

За прекъсване и включване-изключванесе използват тиристори. Вярно е, че в този случай схемите се нуждаят от известно усъвършенстване.

Експериментални устройства- използват свойството на тиристора да има отрицателно съпротивление, намирайки се в преходен режим

Принципът на работа и свойствата на динистора, схеми на динистори

Динисторът е вид полупроводников диод, принадлежащ към класа на тиристорите. Динисторът се състои от четири области с различна проводимост и има три p-n прехода. В електрониката той намери доста ограничена употреба, като ходенето може да се намери в дизайна енергоспестяващи лампипод база E14 и E27, където се използва в стартови вериги. Освен това се среща в баласти на флуоресцентни лампи.

Създаването на полупроводникови устройства за силова електроника започва през 1953 г., когато става възможно получаването на силиций с висока чистота и формирането на големи силициеви дискове. През 1955 г. за първи път е създадено полупроводниково управлявано устройство, което има четирислойна структура и е наречено "тиристор".

Той се включва чрез прилагане на импулс към управляващия електрод при положително напрежение между анода и катода. Изключването на тиристора се осигурява чрез намаляване на постоянния ток, протичащ през него, до нула, за което са разработени много схеми на индуктивно-капацитивни превключващи вериги. Те не само увеличават цената на преобразувателя, но и влошават теглото и размерите му, намаляват надеждността.

Следователно, едновременно със създаването на тиристора, започнаха изследвания, насочени към осигуряване на изключването му от управляващия електрод. Основният проблем беше да се осигури бързото разсейване на носителите на заряд в базовите области.

Първите такива тиристори се появяват през 1960 г. в САЩ. Те се наричаха Gate Turn Off (GTO). У нас те са по-известни като заключващи се или изключващи тиристори.

В средата на 90-те години е разработен заключващ се тиристор с пръстеновиден изход на управляващия електрод. Той беше наречен Gate Commutated Thyristor (GCT) и стана по-нататъчно развитие GTO технологии.

Тиристори

устройство

Заключващият се тиристор е напълно контролирано полупроводниково устройство, базирано на класическа четирислойна структура. Той се включва и изключва чрез прилагане на положителни и отрицателни токови импулси към управляващия електрод. На фиг. 1 са дадени символ(а) и блокова схема (б) на тиристора, който трябва да бъде изключен. Подобно на конвенционален тиристор, той има катод K, анод A, управляващ електрод G. Разликите в структурите на устройствата се състоят в различно разположение на хоризонтални и вертикални слоеве с n- и p-проводимост.

Структурата на катодния слой n е претърпяла най-голяма промяна. Тя е разделена на няколкостотин елементарни клетки, равномерно разпределени по площта и свързани паралелно. Този дизайн се дължи на желанието да се осигури равномерно намаляване на тока по цялата площ на полупроводниковата структура, когато устройството е изключено.

Базовият слой p, въпреки факта, че е направен като едно цяло, има голям брой контакти на управляващия електрод (приблизително равен на броя на катодните клетки), също равномерно разпределени по площта и свързани паралелно. Базовият слой n е направен подобно на съответния слой на конвенционален тиристор.

Анодният слой p има шунтове (зони n), свързващи n-базата с анодния контакт чрез малки разпределени съпротивления. Анодните шунтове се използват в тиристори, които нямат способност за обратно блокиране. Те са предназначени да намалят времето за изключване на устройството чрез подобряване на условията за извличане на заряди от базовия регион n.

Основният дизайн на тиристорите GTO е пелетен тип с четирислойна силиконова пластина, поставена през термично компенсиращи молибденови дискове между две медни основи с повишена термична и електрическа проводимост. Контролен електрод с изход в керамичен корпус контактува със силиконовата пластина. Устройството е захванато чрез контактни повърхности между две половини охладители, изолирани една от друга и имащи дизайн, определен от вида на охладителната система.

Принцип на действие

Има четири фази в работния цикъл на тиристора GTO: включено, проводящо състояние, изключено и блокиращо състояние.

На схематичния разрез на тиристорната структура (фиг. 1б) долният извод на конструкцията е анод. Анодът е в контакт със слой p. След това отдолу нагоре са: основен слой n, основен слой p (имащ контролен електроден проводник), слой n в пряк контакт с катодния проводник. Четири слоя образуват три p-n прехода: j1 между слоевете p и n; j2 между слоевете n и p; j3 между слоевете p и n.

Фаза 1- включване. Преходът на тиристорната структура от блокиращо състояние в проводящо състояние (включване) е възможен само когато се приложи директно напрежение между анода и катода. Преходите j1 и j3 са изместени в посока напред и не пречат на преминаването на носители на заряд. Цялото напрежение се прилага към средния преход j2, който е обратно предубеден. В близост до j2 прехода се образува зона, която е обеднена на носители на заряд, която се нарича област на пространствения заряд. За да включите тиристора GTO, напрежение с положителна полярност U G се прилага към управляващия електрод и катода през управляващата верига (изход "+" към слой p). В резултат на това комутационният ток I G протича през веригата.

Затворените тиристори поставят строги изисквания към времето на нарастване dIG/dt и амплитудата на управляващия ток IGM. През прехода j3, в допълнение към тока на утечка, започва да тече токът на включване I G. Електроните, които създават този ток, ще бъдат инжектирани от слой n в слой p. Освен това, някои от тях ще бъдат прехвърлени от електрическото поле на базовия преход j2 към слой n.

Едновременно с това ще се увеличи насрещното инжектиране на дупки от слой p в слой n и по-нататък в слой p, т.е. ще има увеличение на тока, създаден от миноритарни носители на заряд.

Общият ток, преминаващ през базовия преход j2, надвишава тока на включване, тиристорът се отваря, след което носителите на заряд ще преминат свободно през всичките му четири области.

Фаза 2- проводящо състояние. В режим на постоянен ток няма нужда от управляващ ток I G, ако токът в анодната верига надвишава задържания ток. Но на практика, за да могат всички структури на изключен тиристор да бъдат постоянно в проводящо състояние, все пак е необходимо да се поддържа предвиденият ток за даден температурен режим. Така през цялото време на включване и състояние на провеждане системата за управление генерира токов импулс с положителна полярност.

В проводящо състояние всички области на полупроводниковата структура осигуряват равномерно движение на носители на заряд (електрони от катода към анода, дупки в обратна посока). Анодният ток протича през преходите j1, j2, а общият ток на анода и управляващия електрод протича през прехода j3.

Фаза 3- изключвам. За да изключите тиристора GTO с постоянна полярност на напрежението U T (вижте фиг. 3), към управляващия електрод и катода през управляващата верига се прилага напрежение с отрицателна полярност UGR. Той предизвиква ток на изключване, чийто поток води до резорбция на основните носители на заряд (дупки) в основния слой p. С други думи, има рекомбинация на дупки, които са влезли в слой p от основния слой n и електрони, които са влезли в същия слой през контролния електрод.

Тъй като базовият преход j2 се освобождава от тях, тиристорът започва да се изключва. Този процес се характеризира с рязко намаляване на постоянния ток I T на тиристора за кратък период от време до малка стойност I TQT (виж фиг. 2). Веднага след блокирането на базовия преход j2, преходът j3 започва да се затваря, но поради енергията, съхранена в индуктивността на управляващите вериги, той остава в отворено състояние за известно време.

Ориз. 2. Графики на промяната на тока на анода (iT) и управляващия електрод (iG)

След като цялата енергия, съхранена в индуктивността на управляващата верига, се изразходва, j3 преходът от страната на катода е напълно блокиран. От този момент нататък токът през тиристора е равен на тока на утечка, който протича от анода към катода през веригата на управляващия електрод.

Процесът на рекомбинация и, следователно, изключване на затворения тиристор до голяма степен зависи от стръмността на предния dIGQ/dt и амплитудата I GQ обратен токуправление. За да се осигури необходимата стръмност и амплитуда на този ток, към управляващия електрод трябва да се приложи напрежение UG, което не трябва да надвишава стойността, разрешена за прехода j3.

Фаза 4- блокиращо състояние.В режим на блокирано състояние напрежението с отрицателна полярност U GR от управляващия блок остава приложено към управляващия електрод и катод. Общият ток I GR протича през управляващата верига, състояща се от тока на утечка на тиристора и обратния управляващ ток, преминаващ през прехода j3. Преходът j3 се измества в обратна посока. По този начин в тиристора GTO, който е в състояние на блокиране напред, две кръстовища (j2 и j3) са с обратно отклонение и се образуват две области с пространствен заряд.

През цялото време на изключване и блокиране, системата за управление генерира импулс с отрицателна полярност.

Защитни вериги

Използването на тиристори GTO изисква използването на специални защитни вериги. Те увеличават теглото и размерите, цената на конвертора, понякога изискват допълнителни охлаждащи устройства, но са необходими за нормално функциониранеуреди.

Целта на всяка защитна верига е да ограничи скоростта на нарастване на един от двата параметъра електрическа енергияпри превключване на полупроводниково устройство. В този случай кондензаторите на защитната верига CB (фиг. 3) са свързани паралелно на защитеното устройство T. Те ограничават скоростта на нарастване на напрежението dUT/dt, когато тиристорът е изключен.

Индукторите LE са инсталирани последователно с устройството T. Те ограничават скоростта на нарастване на тока напред dIT / dt, когато тиристорът е включен. Стойностите на dUT/dt и dIT/dt за всяко устройство са нормализирани, те са посочени в справочници и паспортни данни за устройства.

Ориз. 3. Схема на защитата

В допълнение към кондензаторите и дроселите, в защитните вериги се използват допълнителни елементи, за да се осигури разреждането и зареждането на реактивните елементи. Те включват: диод DВ, който шунтира резистора RB, когато тиристорът T е изключен и кондензаторът CB е зареден, резисторът RB, който ограничава тока на разреждане на кондензатора CB, когато тиристорът T е включен.

Контролна система

Системата за управление (CS) съдържа следното функционални блокове: разрешаваща верига, състояща се от верига за генериране на отключващ импулс и източник на сигнал за поддържане на тиристора в отворено състояние; верига за генериране на блокиращ сигнал; верига за поддържане на тиристора затворен.

Не всички видове системи за управление изискват всички изброени блокове, но всяка система за управление трябва да съдържа вериги за генериране на импулси за отключване и заключване. В този случай е необходимо да се осигури галванична изолация на управляващата верига и силовата верига на изключващия се тиристор.

За управление на работата на тиристора, който трябва да бъде изключен, се използват две основни системи за управление, които се различават по методите за подаване на сигнал към управляващия електрод. В случая, показан на фиг. 4, сигналите, генерирани от логическия блок St, се подлагат на галванична изолация (потенциално разделяне), след което се подават през ключовете SE и SA към управляващия електрод на тиристора T, за да се изключи.Във втория случай, сигналите първо действат върху превключвателите SE (включено) и SA (изключено), които са под същия потенциал като SU, след това чрез устройствата за галванична изолация UE и UA се подават към управляващия електрод.

В зависимост от местоположението на ключовете SE и SA се разграничават нископотенциални (NPSU) и високопотенциални (VPSU, фиг. 4) схеми за управление.

Ориз. 4. Опция за контролна верига

Системата за управление NPCS е структурно по-проста от VPSU, но нейните възможности са ограничени по отношение на генерирането на дълготрайни управляващи сигнали, работещи в постоянния ток през тиристорния режим, както и при осигуряването на стръмността на управляващите импулси. За формирането на дълготрайни сигнали е необходимо да се използват по-скъпи двутактни схеми.

В VPSU по-лесно се постига висока стръмност и увеличена продължителност на управляващия сигнал. В допълнение, тук контролният сигнал се използва изцяло, докато в NPSU неговата стойност е ограничена от потенциално разделящо устройство (например импулсен трансформатор).

Информационен сигнал - команда за включване или изключване - обикновено се подава към веригата чрез оптоелектронен преобразувател.

Тиристори

В средата на 90-те се развиват ABB и Mitsubishi новият видтиристори Gate Commutated Thyristor (GCT). Всъщност GCT е по-нататъшно подобрение на GTO или неговата модернизация. Въпреки това, фундаментално нов дизайнконтролен електрод, както и забележимо различни процеси, които се случват, когато устройството е изключено, го правят целесъобразно да го разгледаме.

GCT е проектиран да бъде лишен от недостатъците на GTO, така че първо трябва да разгледаме проблемите, които възникват при използването на GTO.

Основен недостатък на GTO са големите загуби на енергия в защитните вериги на устройството при неговото превключване. Увеличаването на честотата увеличава загубите, следователно на практика тиристорите GTO се превключват при честота не повече от 250-300 Hz. Основните загуби възникват в резистора RB (виж фиг. 3), когато тиристорът T е изключен и следователно кондензаторът CB се разрежда.

Кондензаторът CB е проектиран да ограничава скоростта на нарастване на напрежението du/dt в права посока, когато устройството е изключено. Като направи тиристора нечувствителен към ефекта du / dt, беше възможно да се изостави демпферната верига (веригата за формиране на пътя на превключване), която беше внедрена в дизайна на GCT.

Функция за управление и дизайн

Основната характеристика на тиристорите GCT, в сравнение с устройствата GTO, е бързото изключване, което се постига както чрез промяна на принципа на управление, така и чрез подобряване на дизайна на устройството. Бързото изключване се осъществява чрез превръщане на тиристорната структура в транзисторна, когато устройството е изключено, което прави устройството нечувствително към du / dt ефекта.

GCT във фазите на включване, проводимост и блокиране се управлява по същия начин като GTO. Когато е изключен, GCT контролът има две функции:

контролният ток Ig е равен или по-голям от анодния ток Ia (за GTO тиристорите Ig е 3 до 5 пъти по-малък);
управляващият електрод има ниска индуктивност, което прави възможно постигането на управляващ ток dig/dt скорост от 3000 A/µs или повече (за GTO тиристори стойността на dig/dt е 30-40 A/µs).

Ориз. Фиг. 5. Разпределение на токовете в структурата на тиристора GCT при изключване

На фиг. 5 показва разпределението на токовете в структурата на тиристора GCT, когато устройството е изключено. Както беше посочено, процесът на включване е подобен на включване на тиристорите GTO. Процесът на изключване е различен. След прилагане на отрицателен управляващ импулс (-Ig), равен по амплитуда на анодния ток (Ia), целият постоянен ток, преминаващ през устройството, се отклонява в системата за управление и достига до катода, заобикаляйки прехода j3 (между регионите p и n ). Преходът j3 е изместен в обратна посока, а катодът npn транзисторзатваря. По-нататъшното изключване на GCT е същото като изключването на който и да е биполярен транзистор, който не изисква външен dv/dt ограничител на скоростта на набиране и следователно позволява липсата на демпферна верига.

Промяната в дизайна на GCT се дължи на факта, че динамичните процеси, които се случват в устройството, когато е изключено, протичат с един или два порядъка по-бързо, отколкото в GTO. И така, докато минималното време за изключване и блокиране за GTO е 100 µs, за GCT тази стойност не надвишава 10 µs. Скоростта на нарастване на управляващия ток при изключен GCT е 3000 A/µs, GTO не надвишава 40 A/µs.

За да осигурим висока динамика на процесите на превключване, променихме дизайна на изхода на управляващия електрод и връзката на устройството с импулсния формовчик на системата за управление. Изходът е направен пръстеновиден, обграждащ устройството около обиколката. Пръстенът преминава през керамичното тяло на тиристора и контактува: отвътре с клетките на управляващия електрод; отвън - с плоча, свързваща управляващия електрод с формовчика на импулса.

Сега тиристори GTO се произвеждат от няколко големи компании в Япония и Европа: "Toshiba", "Hitachi", "Mitsubishi", "ABB", "Eupec". Параметри на напрежението на устройството UDRM: 2500 V, 4500 V, 6000 V; ток ITGQM (максимален повтарящ се ток на изключване): 1000 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A, 6000 A.

Тиристорите GCT се произвеждат от Mitsubishi и ABB. Устройствата са предназначени за UDRM напрежение до 4500 V и ITGQM ток до 4000 A.

В момента тиристорите GCT и GTO са усвоени в руското предприятие OAO Elektrovypryamitel (Саранск). ) и други с диаметър на силиконова пластина до 125 mm и диапазон на напрежение UDRM 1200 - 6000 V и токове ITGQM 630 - 4000 A.

Паралелно със заключващите се тиристори и за използване в комбинация с тях, АД "Електровипрямител" разработи и усвои в масово производство бързовъзстановяващи се диоди за демпферни (демпферни) вериги и диоди за обратен ток, както и мощен импулсен транзистор за изходните етапи на управляващият драйвер (система за управление).

Тиристори IGCT

Благодарение на концепцията за твърд контрол (фина настройка на легиращите профили, меза технология, протонно и електронно облъчване за създаване на специално разпределение на контролирани рекомбинационни центрове, технологията на така наречените прозрачни или тънки излъчватели, използването на буферен слой в n-базов регион и т.н.), беше възможно да се постигне значително подобрение в характеристиките на GTO, когато е изключен. Следващият голям напредък в технологията Hard Driven GTO (HD GTO) по отношение на устройство, управление и приложение беше идеята за управлявани устройства, базирани на новия интегриран тиристор с комутация на врата (IGCT). Благодарение на технологията за твърд контрол, равномерното превключване увеличава зоната на безопасна работа на IGCT до границите, ограничени от лавина, т.е. към физическите възможности на силиция. Не са необходими схеми за защита du/dt. Комбинацията с подобрена производителност при загуба на мощност отвори нови приложения в килохерцовия диапазон. Мощността, необходима за задвижване, е намалена с коефициент 5 в сравнение със стандартните GTO, главно поради прозрачния дизайн на анода. Нова фамилия IGCT инструменти с монолитна интегрирана висока мощни диодие разработен за използване в диапазон 0,5- 6 MV*A. Със съществуващата техническа възможност за последователно и паралелна връзка IGCT устройствата ви позволяват да увеличите нивото на мощност до няколкостотин мегаволта - ампера.

С интегриран контролен блок катодният ток се намалява преди анодното напрежение да започне да се увеличава. Това се постига благодарение на много ниската индуктивност на затворната верига, реализирана от коаксиалното свързване на затворния електрод в комбинация с многослойната платка на контролния блок. В резултат на това стана възможно да се постигне стойност на скоростта на изключен ток от 4 kA/μs. При управляващо напрежение UGK=20 V. когато катодният ток стане нула, останалият аноден ток преминава в управляващия блок, който в този момент има ниско съпротивление. Благодарение на това консумацията на енергия от управляващия блок е сведена до минимум.

Работейки с "твърдо" управление, тиристорът превключва от p-n-p-n състоянияв pnp режимза 1 µs. Изключването се извършва изцяло в транзисторен режим, елиминирайки всякаква възможност за задействащ ефект.

Намаляването на дебелината на устройството се постига чрез използване на буферен слой от страната на анода. Буферният слой на силовите полупроводници подобрява характеристиките на традиционните елементи, като намалява дебелината им с 30% при същото напрежение на пробив. Основното предимство на тънките елементи е подобряването на технологичните характеристики с ниски статични и динамични загуби. Такъв буферен слой в четирислойно устройство изисква елиминиране на анодните къси съединения, като същевременно се поддържа ефективно освобождаване на електрони по време на изключване. Новият IGCT съчетава буферен слой с прозрачен аноден емитер. Прозрачният анод е p-n преход с токово контролирана емитерна ефективност.

За максимална устойчивост на шум и компактност контролният блок обгражда IGCT, образувайки една структура с охладителя, и съдържа само тази част от веригата, която е необходима за директно управление на IGCT. В резултат на това се намалява броят на елементите на управляващия блок, намаляват параметрите на разсейване на топлината, електрическите и топлинните претоварвания. Следователно, цената на контролния блок и честотата на отказ също са значително намалени. IGCT, със своята интегрирана контролна кутия, се захваща лесно и прецизно към модула и се свързва към източника на захранване и управляващ сигнал чрез оптично влакно. Чрез просто отваряне на пружината, благодарение на сложна контактна система за натиск, IGCT се прилага с правилно изчислена сила на натиск, създавайки електрически и термичен контакт. Така се постига максимално лесно сглобяване и най-голяма надеждност. Когато работите с IGCT без демпфер, свободното колело също трябва да работи без демпфер. Тези изисквания са изпълнени от високомощен, високоефективен закрепващ диод, произведен с помощта на процес на облъчване, комбиниран с класически процеси. Възможността за осигуряване на di / dt се определя от работата на диода (виж фиг. 6).

Ориз. 6. Опростена схема на трифазен инвертор на IGCT

Основен производител на IGCTs е ABB Параметри на тиристорното напрежение U DRM: 4500 V, 6000 V; ток ITGQM: 3000 A, 4000 A.

Заключение

Бързото развитие в началото на 90-те години на технологията на силовите транзистори доведе до появата на нов клас устройства - биполярни транзистори с изолиран порт (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Основните предимства на IGBT са високите работни честоти, ефективността, простотата и компактността на управляващите вериги (поради ниския управляващ ток).

Появата през последните години на IGBT с работно напрежение до 4500 V и възможност за превключване на токове до 1800 A доведе до изместването на изключващите тиристори (GTO) в устройства с мощност до 1 MW и напрежение до 3,5 kV.

Въпреки това, новите IGCT устройства, способни да работят при честоти на превключване от 500 Hz до 2 kHz и имат по-висока производителност от IGBT, съчетават оптималната комбинация от доказана тиристорна технология с присъщи ниски загуби и високоефективна технология за изключване без демпфер, чрез действащ върху управляващия електрод. IGCT днес е идеалното решение за приложения в силова електроника със средно и високо напрежение.

Характеристиките на съвременните мощни захранващи превключватели с двустранен радиатор са дадени в таблица. един.

Таблица 1. Характеристики на съвременни мощни превключватели с двустранен радиатор

Тип инструмент	Предимства	недостатъци	Области на използване
Традиционен тиристор (SCR)	Най-ниска загуба в състояние. Най-висок капацитет на претоварване. Висока надеждност. Лесен за свързване паралелно и последователно.	Няма възможност за принудително заключване на управляващия електрод. Ниска работна честота.	DC задвижване; мощни захранвания; заваряване; топене и нагряване; статични компенсатори; AC ключове
GTO	Възможност за контрол на заключването. Относително висока способност за претоварване. Възможност серийна връзка. Работни честоти до 250 Hz при напрежение до 4 kV.	Високи загуби на състояние. Много големи загуби в системата за управление. Сложни системи за управление и енергийно захранване на потенциала. Големи загуби при превключване.	Електрическо задвижване; статични компенсатори реактивна мощност; системи непрекъсваемо захранване;индукционно нагряване
IGCT	Възможност за контрол на заключването. Капацитетът на претоварване е същият като на GTO. Ниски загуби при превключване. Работна честота - до единици, kHz. Вграден блок за управление (драйвер). Възможност за серийно свързване.	Не е идентифициран поради липса на експлоатационен опит	Мощни източници на енергия (инверторни и токоизправителни подстанции на електропроводи за постоянен ток); електрозадвижване (инвертори на напрежение за честотни преобразуватели и електрозадвижвания за различни цели)
IGBT	Възможност за контрол на заключването. Най-високата работна честота (до 10 kHz). Проста, енергоемка система за управление. Вграден драйвер.	Много високи загуби на състояние.	Електрическо задвижване (чопъри); системи за непрекъсваемо захранване; статични компенсатори и активни филтри; ключови захранвания

Петък, 20 юли 2012 г. 10:00:00

Принципът на работа на тиристора

Тиристорът е силов електронен ключ с непълно управление. Следователно понякога в техническата литература се нарича тиристор с една операция, който може да бъде прехвърлен в проводящо състояние само чрез управляващ сигнал, т.е. За да го изключите (когато работите върху DC), е необходимо да се вземат специални мерки, за да се гарантира, че постоянният ток пада до нула.

Тиристорният ключ може да провежда ток само в една посока и когато е затворен, той е в състояние да издържи както напречно, така и обратно напрежение.

Тиристорът има четирислойна p-n-p-n структура с три извода: анод (A), катод (C) и управляващ електрод (G), който е показан на фиг. един

Ориз. 1. Обикновен тиристор: а) - конвенционално графично обозначение; б) - характеристика ток-напрежение.

На фиг. 1b показва семейство изходни статични I–V характеристики за различни стойности на управляващия ток iG. Максималното напрежение, което тиристорът може да издържи, без да го включва, има максимална стойност при iG = 0. С увеличаване на тока iG, напрежението, което тиристорът може да издържи, намалява. Клон II съответства на включено състояние на тиристора, клон I съответства на изключено състояние, а клон III съответства на процеса на превключване. Токът на задържане или ток на задържане е равен на минимално допустимия ток напред iA, при който тиристорът остава в проводящо състояние. Тази стойност също съответства на минималната възможна стойност на прякото падане на напрежението върху включения тиристор.

Клон IV е зависимостта на тока на утечка от обратното напрежение. Когато обратното напрежение надвиши стойността на UBO, започва рязко увеличение на обратния ток, свързано с разрушаването на тиристора. Естеството на повредата може да съответства на необратим процес или на лавинообразен процес на повреда, присъщ на работата на полупроводниковия ценеров диод.

Тиристорите са най-мощните електронни ключовеспособни да комутират вериги с напрежение до 5 kV и токове до 5 kA при честота не повече от 1 kHz.

Дизайнът на тиристорите е показан на фиг. 2.

Ориз. 2. Дизайнът на тиристорни кутии: а) - таблетка; б) - щифт

Тиристор в DC верига

Включването на конвенционален тиристор се осъществява чрез прилагане на токов импулс към управляващата верига с положителна, спрямо катода, полярност. Продължителността на преходния процес при включване се влияе значително от естеството на товара (активен, индуктивен и т.н.), амплитудата и скоростта на нарастване на импулса на управляващия ток iG, температурата на полупроводниковата структура на тиристора, приложено напрежение и ток на натоварване. Във верига, съдържаща тиристор, не трябва да се появяват неприемливи стойности на скоростта на нарастване на напрежението duAC/dt, при които може да възникне спонтанно включване на тиристора при отсъствие на управляващ сигнал iG и скорост на нарастване на тока diA/dt . В същото време наклонът на управляващия сигнал трябва да е висок.

Сред начините за изключване на тиристорите е обичайно да се прави разлика между естествено изключване (или естествено превключване) и принудително (или изкуствено превключване). Естественото превключване възниква по време на работа на тиристори в променливотокови вериги в момента, в който токът падне до нула.

Методите за принудително превключване са много разнообразни. Най-характерните от тях са следните: свързване на предварително зареден кондензатор C с ключ S (фиг. 3, а); свързване на LC верига с предварително зареден кондензатор CK (фиг. 3b); използване на осцилаторния характер на преходния процес в веригата на натоварване (Фигура 3, в).

Ориз. 3. Методи за изкуствено превключване на тиристори: а) - чрез зареден кондензатор С; б) - чрез осцилационен разряд на LC веригата; в) - поради колебателния характер на товара

При превключване по схемата на фиг. 3, връзкапревключващ кондензатор с обратна полярност, например, друг спомагателен тиристор, ще предизвика разреждането му към проводящия основен тиристор. Тъй като разрядният ток на кондензатора е насочен срещу постоянния ток на тиристора, последният пада до нула и тиристорът се изключва.

В диаграмата на фиг. 3b, свързването на LC веригата предизвиква осцилаторно разреждане на превключващия кондензатор Sk. В същото време, в началото, разрядният ток протича през тиристора, противоположен на неговия постоянен ток, когато те станат равни, тиристорът се изключва. Освен това токът на LC веригата преминава от тиристора VS към диода VD. Докато токът на веригата протича през диода VD, към тиристора VS ще бъде приложено обратно напрежение, равно на спада на напрежението върху отворения диод.

В диаграмата на фиг. 3, включватиристор VS към сложен RLC товар ще предизвика преходен процес. При определени параметри на натоварването този процес може да бъде колебателен с промяна на полярността на тока на натоварване inн. В този случай, след изключване на тиристора VS, диодът VD се включва, който започва да провежда ток с обратна полярност. Понякога този метод на превключване се нарича квазиестествен, тъй като е свързан с промяна в полярността на тока на натоварване.

Тиристор в AC верига

Когато тиристорът е свързан към верига с променлив ток, могат да се извършват следните операции:

активиране и деактивиране електрическа веригас активен и активно-реактивен товар;
промяна на средните и ефективните стойности на тока през товара поради факта, че е възможно да се регулира моментът на управляващия сигнал.

Тъй като тиристорният ключ е способен да провежда електричествосамо в една посока, тогава за използване на тиристори на променлив ток се използва тяхната антипаралелна връзка (фиг. 4, а).

Ориз. 4. Обратно превключване на тиристори (а) и форма на тока при активен товар (б)

Средните и ефективните стойности на тока варират поради промяна в момента, когато сигналите за отваряне се прилагат към тиристорите VS1 и VS2, т.е. чрез промяна на ъгъла и (фиг. 4b). Стойностите на този ъгъл за тиристори VS1 и VS2 по време на регулиране се променят едновременно с помощта на системата за управление. Ъгълът се нарича контролен ъгъл или ъгъл на запалване на тиристора.

Най-широко използваните в силови електронни устройства са фазово (фиг. 4, а, б) и широчиноимпулсно управление на тиристори (фиг. 4, в).

Ориз. 5. Вид напрежение на товара при: а) - фазово управление на тиристора; б) - фазово управление на тиристор с принудително превключване; в) - широчинно-импулсно управление на тиристора

При фазовия метод за управление на тиристор с принудително превключване, регулирането на тока на натоварване е възможно както чрез промяна на ъгъла α, така и на ъгъла θ. Изкуственото превключване се извършва с помощта на специални възли или при използване на напълно контролирани (заключени) тиристори.

При широчинно-импулсно управление (широчинно-импулсна модулация - PWM) се подава управляващ сигнал към тиристорите през времето Tocr, те са отворени и към товара се подава напрежение Un. През времето Tclose няма управляващ сигнал и тиристорите са в непроводимо състояние. Ефективната стойност на тока в товара

където In.m. - ток на натоварване при Tclosed = 0.

Кривата на тока в товара при фазово управление на тиристорите е несинусоидална, което води до изкривяване на формата на вълната на мрежовото напрежение и смущения в работата на чувствителните към високочестотни смущения консуматори - възниква т. нар. електромагнитна несъвместимост.

Заключващи се тиристори

Тиристорите са най-мощните електронни ключове, използвани за превключване на вериги с високо напрежение и висок ток (висок ток). Те обаче имат значителен недостатък - непълна управляемост, която се проявява във факта, че за да ги изключите, е необходимо да се създадат условия за намаляване на предния ток до нула. Това в много случаи ограничава и усложнява използването на тиристори.

За да се елиминира този недостатък, са разработени тиристори, които са затворени от сигнал по протежение на управляващия електрод G. Такива тиристори се наричат затворени тиристори (GTO) или две операции.

Заключващите се тиристори (CT) имат четирислойна p-p-p-p структура, но в същото време имат редица значими конструктивни характеристики, които им придават напълно различно свойство от традиционните тиристори - свойството на пълна управляемост. Статичната I–V характеристика на затворените тиристори в посока напред е идентична с I–V характеристиката на конвенционалните тиристори. Въпреки това, тиристорът за изключване обикновено не е в състояние да блокира големи обратни напрежения и често е свързан към диод обратно към гърба. В допълнение, заключващите се тиристори се характеризират със значителни падания на напрежението напред. За изключване на заключващия се тиристор е необходимо да се приложи мощен отрицателен токов импулс към веригата на управляващия електрод (приблизително 1:5 по отношение на стойността на директния ток на изключване), но с кратка продължителност (10-100 μs).

Заключващите се тиристори също имат по-ниски гранични напрежения и токове (с около 20-30%) в сравнение с конвенционалните тиристори.

Основни видове тиристори

В допълнение към заключващите се тиристори е разработена широка гама от тиристори различни видове, различаващи се по скорост, процеси на управление, посока на токовете в проводящо състояние и др. Сред тях трябва да се отбележат следните видове:

тиристор-диод, който е еквивалентен на тиристор с гръб-към-гръб диод (фиг. 6.12, а);
диоден тиристор (динистор), който преминава в проводящо състояние, когато между A и C се приложи определено ниво на напрежение (фиг. 6, b);
заключващ се тиристор (фиг. 6.12, c);
симетричен тиристор или триак, който е еквивалентен на два тиристора обратно към гърба (фиг. 6.12, d);
високоскоростен инверторен тиристор (време на изключване 5-50 µs);
тиристор с управление на полето върху управляващия електрод, например на базата на комбинация от MOSFET с тиристор;
оптотиристор, управляван от светлинен поток.

Ориз. 6. Конвенционално графично обозначение на тиристори: а) - тиристор-диод; б) - диоден тиристор (динистор); в) - заключващ се тиристор; г) - триак

Тиристорна защита

Тиристорите са устройства, критични за скоростите на нарастване на тока в посока diA/dt и напрежението в посока duAC/dt. Тиристорите, подобно на диодите, имат феномена на протичане на обратен възстановителен ток, чийто рязък спад до нула увеличава възможността за високи пренапрежения duAC/dt. Такива пренапрежения са резултат от внезапно спиране на тока в индуктивни елементи на веригата, включително малки индуктивности на проводниците. Следователно, за да защитят тиристорите, те обикновено използват различни схеми DFTTP, който в динамични режими осигурява защита срещу невалидни стойности diA / dt и duAC / dt.

В повечето случаи вътрешни индуктивно съпротивлениеизточници на напрежение, включени във веригата на включения тиристор, се оказва достатъчно да не се въвежда допълнителна индуктивност LS. Следователно на практика по-често има нужда от CFTS, които намаляват нивото и скоростта на пренапреженията по време на изключване (фиг. 7).

Ориз. 7. Типова схема за тиристорна защита

За тази цел обикновено се използват RC вериги, свързани паралелно на тиристора. Има различни модификации на RC вериги и методи за изчисляване на техните параметри за различни условия на използване на тиристори.

За заключващи се тиристори се използват вериги за формиране на траектория на превключване, подобни на схемата на CFTP транзисторите.