Najprostsze włączenie tyrystora i triaka. Tyrystorowe wyłączniki prądu przemiennego

Do przełączania obwodów mocy prąd przemienny stosowane są głównie tyrystory. Są w stanie przeskoczyć wysokie prądy przy niewielkim spadku napięcia są one włączane stosunkowo prosto poprzez przyłożenie impulsu sterującego o niskiej mocy do elektrody sterującej. Jednocześnie ich główna wada - trudność wyłączenia - nie odgrywa roli w obwodach prądu przemiennego, ponieważ prąd przemienny z konieczności przechodzi przez zero dwa razy na okres, co zapewnia automatyczne wyłączenie tyrystora.

Schemat jednofazowego przełącznika tyrystorowego pokazano na ryc. 8.7. Impulsy sterujące powstają z napięć anodowych tyrystorów.

Jeśli na anodzie tyrystora D1 dodatnie napięcie półfalowe, a następnie, gdy klucz jest zamknięty; Do przez diodę DZ i rezystor Do impuls prądu sterującego tyrystorem przejdzie; D1. W rezultacie tyrystor D1 włącza się, napięcie anodowe spada prawie do zera, sygnał sterujący zanika, ale tyrystor pozostaje w stanie przewodzenia do końca półcyklu, aż prąd anodowy przejdzie przez zero. W drugim półcyklu, przy przeciwnej biegunowości napięcia sieciowego, tyrystor załączany jest w podobny sposób D 2.Żegnaj kluczu Do zostanie zamknięty, tyrystory włączą się automatycznie jeden po drugim, zapewniając przepływ prądu ze źródła do obciążenia.

Takie przełączniki tyrystorowe są podstawą jednofazowych i trójfazowych urządzeń przełączających.

Jako przykład rozważmy stycznik tyrystorowy AC sterowany napięciem anodowym.



Cechą półprzewodnikowych urządzeń przełączających jest to, że mogą one wykonywać różne funkcje bez fundamentalnych zmian w sekcji mocy. Tak więc blok tyrystorowy, wykonany zgodnie ze schematem na ryc. 8.5 może z równym powodzeniem pracować zarówno jako stycznik, jak i przełącznik. Dopiero wymiana tyrystorów (zmiana typu, klasy napięcia lub grupy urządzenia pod względem parametrów dynamicznych) rozszerza zakres urządzeń na prąd lub napięcie. Możesz znacząco wpłynąć na działanie obwodu za pomocą układu sterowania, co zostanie pokazane na przykładzie działania stycznika tyrystorowego (ryc. 8.8).

Blok mocy stycznika wykonany jest zgodnie ze schematem z antyrównoległym połączeniem tyrystorów VS1 oraz VS2. Jest kontrolowany przez obwód składający się z rezystorów. R1,R2,R3 i styk mechaniczny S. Obwód ten jest połączony równolegle z tyrystorami, dlatego gdy klucz jest zamknięty S napięcie na jego elementach, a w szczególności na rezystorach R1 oraz R3, zmienia się synchronicznie z napięciem anodowym na tyrystorach. A ponieważ rezystory te są połączone równolegle z obwodami sterującymi tyrystorów, napięcie o jednej biegunowości jednocześnie wzrasta zarówno na anodzie tyrystora, jak i na jego elektrodzie sterującej.

Jeśli to napięcie jest dodatnie, na przykład w stosunku do tyrystora VS1, i wyjęty z rezystora R1 napięcie przekracza napięcie wyzwalania, tyrystor VS1 włącza się. Gdy polaryzacja napięcia zmienia się w ten sam sposób, tyrystor jest włączony VS2.

Diody VD1 oraz VD2 w obwodzie są niezbędne do ochrony obwodów sterujących tyrystorów przed napięciem wstecznym z ujemnym napięciem na ich anodach.

regulowany rezystor R2 w obwodzie sterowania jest wybierany z warunku ograniczenia amplitudy impulsu prądu sterującego do wartości dopuszczalnej dla stosowanych tyrystorów. Biorąc pod uwagę, że styk S może być zwarty w okresie półcyklu w dowolnym momencie, również w momencie, gdy napięcie w sieci osiągnie wartość amplitudy hm, rezystancja rezystora jest określana z wyrażenia

,

gdzie RG - własna rezystancja obwodu sterującego tyrystora.

Zmieniając rezystancję rezystora R2 możliwe jest sterowanie prądem w obwodach wejściowych tyrystorów, a co za tym idzie momentem ich włączenia w stosunku do początku półcyklu napięcia (rys. 8.9). W rezultacie stycznik staje się zdolny do wykonywania innej funkcji - regulowania prądu w obciążeniu. Graniczny kąt opóźnienia włączenia tyrystora amaks, który może być zapewniony przez obwód sterowania rezystorem, wynosi 90 °. Proces regulacji prądu (napięcia, mocy) w obwodzie poprzez zmianę kąta opóźnienia załączenia tyrystora a zwany kontrolą fazy.

Zależności zmiany napięcia od aktywne obciążenie a prąd w nim z rogu a dla rozważanego schematu są określone wyrażenia

Minimalny kąt opóźnienia włączenia tyrystorów z obciążeniem czynnym a» 2°. Wyjaśnia to fakt, że wszystkie tyrystory mają próg czułości dla obwodu sterującego, a ponadto napięcie anodowe zmieniające się zgodnie z prawem sinusoidalnym musi również przekraczać wartość progową , co najmniej dwukrotnie.

Czynniki te prowadzą do pojawienia się przerw bezprądowych na krzywej prądu obciążenia ( tp na ryc. 8.9). Ze względu na rozproszenie charakterystyk sterowania tyrystorami przerwy te mogą nie mieć takiego samego czasu trwania, co prowadzi do pojawienia się stałej składowej prądu obciążenia.



W razie potrzeby kąty opóźnienia włączania tyrystorów są wyrównywane poprzez regulację prądów sterujących poprzez zmianę rezystancji rezystorów strojenia R1 oraz R3(Rys. 8.8).

Zasada działania tyrystora

Absolutnie każdy tyrystor może znajdować się w dwóch stabilnych stanach - Zamknięte lub otwarty

W stanie zamkniętym jest w stanie niskiej przewodności i prawie nie płynie prąd, w stanie otwartym natomiast półprzewodnik będzie w stanie wysokiej przewodności, prąd przepływa przez niego praktycznie bez oporu

Można powiedzieć, że tyrystor jest kluczem sterowanym energią elektryczną. Ale w rzeczywistości sygnał sterujący może tylko otworzyć półprzewodnik. Aby go zablokować, konieczne jest spełnienie warunków mających na celu zmniejszenie prądu przewodzenia prawie do zera.

Strukturalnie tyrystor jest sekwencją czterech warstw p oraz n typ tworzący strukturę p-n-p-n i połączone szeregowo.

Jednym z ekstremalnych obszarów, do którego podłączony jest dodatni biegun mocy, jest anoda, p - typ
Drugi, do którego podłączony jest biegun ujemny, nazywa się katoda, – n typ
Elektroda kontrolna połączone z warstwami wewnętrznymi.

Aby zrozumieć działanie tyrystora, rozważ kilka przypadków, pierwszy: napięcie nie jest podawane na elektrodę kontrolną, tyrystor jest podłączony zgodnie z obwodem dinstora - do anody dostarczane jest napięcie dodatnie, a do katody napięcie ujemne, patrz rysunek.

W tym przypadku kolektor p-n-złącze tyrystora jest w stanie zamkniętym, a emiter jest otwarty. Otwarte złącza mają bardzo niską rezystancję, więc prawie całe napięcie z zasilacza jest doprowadzane do złącza kolektora, dzięki dużej rezystancji, której prąd płynący przez urządzenie półprzewodnikowe jest bardzo niski.

Na wykresie CVC ten stan dotyczy obszaru oznaczonego liczbą 1 .

Wraz ze wzrostem poziomu napięcia do pewnego momentu prąd tyrystora prawie nie wzrasta. Ale osiągnięcie warunkowego poziomu krytycznego - napięcie włączania U wł. w dinistorze pojawiają się czynniki, przy których rozpoczyna się gwałtowny wzrost nośników ładunków swobodnych w złączu kolektora, które prawie natychmiast się zużywa lawinowa natura. W rezultacie następuje odwracalna awaria elektryczna (punkt 2 na pokazanym rysunku). W p- w obszarze złącza kolektora pojawia się strefa nadmiaru nagromadzonych ładunków dodatnich, w n-region, przeciwnie, występuje nagromadzenie elektronów. Wzrost stężenia nośników ładunków swobodnych prowadzi do spadku bariery potencjału na wszystkich trzech złączach, a wstrzykiwanie nośników ładunku rozpoczyna się przez złącza emiterowe. Charakter lawinowy wzrasta jeszcze bardziej i prowadzi do przełączania złącza kolektora w stanie otwartym. Jednocześnie prąd wzrasta we wszystkich obszarach półprzewodnika, powodując spadek napięcia między katodą a anodą, pokazany na powyższym wykresie jako odcinek oznaczony cyfrą trzy. W tym momencie dinstor ma ujemną rezystancję różnicową. O oporze R n wzrosty napięcia i przełączniki półprzewodnikowe.

Po otwarciu złącza kolektora charakterystyka I–V dinistora staje się taka sama jak na odgałęzieniu prostym - odcinek nr 4. Po przełączeniu urządzenia półprzewodnikowego napięcie spada do poziomu jednego wolta. W przyszłości wzrost poziomu napięcia lub spadek rezystancji doprowadzi do wzrostu prądu wyjściowego jeden do jednego, a także działania diody przy bezpośrednim włączeniu. Jeśli poziom napięcia zasilania zostanie obniżony, wysoka rezystancja złącza kolektora zostanie przywrócona niemal natychmiast, dinistor zamyka się, prąd gwałtownie spada.

Napięcie włączenia U wł., można regulować, wprowadzając do którejkolwiek z warstw pośrednich, obok złącza kolektora, dla niej drobne nośniki ładunku.

W tym celu specjalny elektroda kontrolna, zasilany z dodatkowego źródła, z którego wynika napięcie sterujące – U kontroli. Jak wyraźnie widać na wykresie, wraz ze wzrostem regulacji U spada napięcie załączenia.

Główne cechy tyrystorów

U wł. napięcie włączenia - w nim tyrystor przechodzi w stan otwarty
Uo6p.maks.- pulsujące powtarzalne napięcie wsteczne, podczas którego następuje przebicie elektryczne złącze p-n a. Dla wielu tyrystorów wyrażenie będzie prawdziwe U o6p.maks. = U wł.
Imax- maksymalna dopuszczalna wartość prądu
ja śr- średnia wartość prądu za okres U np- bezpośredni spadek napięcia przy otwartym tyrystorze
Io6p.maks.- odwrócić maksymalny prąd przecieka na aplikacji Uo6p.maks., ze względu na ruch drobnych nośników ładunku
trzymam prąd podtrzymania - wartość prądu anodowego, przy którym tyrystor jest zablokowany
Pmax- maksymalne rozpraszanie mocy
t off- czas wyłączenia wymagany do wyłączenia tyrystora

Zamykane tyrystory- posiada klasyczny czterowarstwowy p-n-p-n struktury, ale jednocześnie ma wiele cechy konstrukcyjne, dając taką funkcjonalność jak pełna sterowalność. Dzięki temu działaniu elektrody sterującej, blokowane tyrystory mogą przechodzić nie tylko do stanu otwartego z zamkniętego, ale także z otwartego do zamkniętego. Aby to zrobić, do elektrody sterującej przykładane jest napięcie, przeciwne do tego, które wcześniej otwierał tyrystor. Aby zablokować tyrystor na elektrodzie sterującej, następuje silny, ale krótkotrwały ujemny impuls prądu. Stosując blokowane tyrystory należy pamiętać, że ich wartości graniczne są o 30% niższe niż w przypadku konwencjonalnych. W inżynierii obwodów blokowane tyrystory są aktywnie wykorzystywane jako przełączniki elektroniczne w technologii przekształtnikowej i impulsowej.

W przeciwieństwie do swoich czterowarstwowych krewnych - tyrystorów, mają pięciowarstwową strukturę.

Dzięki tej półprzewodnikowej budowie są w stanie przepuszczać prąd w obu kierunkach - zarówno od katody do anody, jak i od anody do katody, a do elektrody sterującej przykładane jest napięcie o obu biegunowościach. Dzięki tej właściwości charakterystyka prądowo-napięciowa triaka ma postać symetryczną w obu osiach współrzędnych. Możesz dowiedzieć się o działaniu triaka z samouczka wideo pod poniższym linkiem.

Zasada działania triaka

Jeśli standardowy tyrystor ma anodę i katodę, to nie można w ten sposób opisać elektrod triakowych, ponieważ każda elektroda narożna jest jednocześnie anodą i katodą. Dlatego triak jest w stanie przepuszczać prąd w obu kierunkach. Dlatego świetnie sprawdza się w obwodach prądu przemiennego.

Bardzo prostym układem wyjaśniającym zasadę działania triaka jest regulator mocy triaka.

Po podaniu napięcia na jedno z wyjść triaka podawane jest napięcie przemienne. Do elektrody sterującej mostkiem diodowym dostarczane jest ujemne napięcie sterujące. Po przekroczeniu progu włączenia triak zostaje odblokowany i prąd płynie do podłączonego obciążenia. W momencie zmiany polaryzacji napięcia na wejściu triaka zostaje on zablokowany. Następnie algorytm się powtarza.

Im wyższy poziom napięcia sterującego, tym szybciej wyzwalany jest triak, a czas trwania impulsu na obciążeniu wzrasta. Wraz ze spadkiem poziomu napięcia sterującego zmniejsza się również czas trwania impulsów na obciążeniu. Na wyjściu regulatora triakowego napięcie będzie piłokształtne z regulowanym czasem trwania impulsu. W ten sposób, regulując napięcie sterujące, możemy zmienić jasność żarówki lub temperaturę grota lutownicy podłączonej jako obciążenie.

Tak więc triak jest sterowany zarówno napięciem ujemnym, jak i dodatnim. Podkreślmy jego zalety i wady.

Plusy: niski koszt, długa żywotność, brak styków, a co za tym idzie brak iskrzenia i trzaskania.
Minusy: dość wrażliwy na przegrzanie i zwykle montowany na grzejniku. Nie działa przy wysokich częstotliwościach, ponieważ nie ma czasu na przełączenie z otwartego na zamknięte. Reaguje na zakłócenia zewnętrzne, które powodują fałszywe alarmy.

Należy również wspomnieć o cechach montażu triaków w nowoczesnej technice elektronicznej.

Przy niskich obciążeniach lub gdy występują w nim zwarcia prądy impulsowe, montaż triaków można przeprowadzić bez radiatora. We wszystkich innych przypadkach jego obecność jest bezwzględnie wymagana.
Tyrystor można przymocować do radiatora za pomocą klipsa montażowego lub śruby
Aby zmniejszyć możliwość fałszywych alarmów spowodowanych hałasem, długość przewodów powinna być ograniczona do minimum. Do połączenia zaleca się użycie kabla ekranowanego lub skrętki.

Lub tyrystory optyczne to wyspecjalizowane półprzewodniki, których cechą konstrukcyjną jest obecność fotokomórki, która jest elektrodą kontrolną.

Nowoczesnym i obiecującym typem triaka jest optosimistor. Zamiast elektrody sterującej w obudowie znajduje się dioda LED, a sterowanie odbywa się poprzez zmianę napięcia zasilania na diodzie. Na trafienie Strumień świetlny Fotokomórka tylna przełącza tyrystor do pozycji otwartej. bardzo główna funkcja w optosimistor jest to, że istnieje pełna izolacja galwaniczna między obwodem sterującym a obwodem zasilającym. Stwarza to po prostu doskonały poziom i niezawodność projektu.

Klawisze zasilania. Jednym z głównych punktów wpływających na zapotrzebowanie na takie obwody jest niska moc, jaką tyrystor może rozpraszać w obwodach przełączających. W stanie zablokowanym moc praktycznie nie jest zużywana, ponieważ prąd jest zbliżony do wartości zerowych. A w stanie otwartym rozpraszanie mocy jest niskie ze względu na niskie wartości napięcia.

Urządzenia progowe- realizują główną właściwość tyrystorów - otwierają się, gdy napięcie osiągnie pożądany poziom. Jest to wykorzystywane w fazowych regulatorach mocy i oscylatorach relaksacyjnych.

Do przerywania i włączania stosowane są tyrystory. To prawda, że ​​w tym przypadku schematy wymagają dopracowania.

Urządzenia eksperymentalne- wykorzystują właściwość tyrystora, aby mieć ujemną rezystancję, będąc w trybie przejściowym;

Zasada działania i właściwości dinistora, obwody na dinistorach

Dinistor to rodzaj diody półprzewodnikowej należącej do klasy tyrystorów. Dinistor składa się z czterech obszarów o różnej przewodności i ma trzy złącza p-n. W elektronice znalazł raczej ograniczone zastosowanie, chodzenie można znaleźć w projektach lampy energooszczędne pod podstawą E14 i E27, gdzie jest stosowany w obwodach rozruchowych. Ponadto spotyka się go w statecznikach lamp fluorescencyjnych.

Tworzenie urządzeń półprzewodnikowych dla energoelektroniki rozpoczęło się w 1953 roku, kiedy stało się możliwe uzyskanie krzemu o wysokiej czystości i formowanie dużych dysków krzemowych. W 1955 roku po raz pierwszy stworzono półprzewodnikowe urządzenie, które ma strukturę czterowarstwową i zostało nazwane „tyrystorem”.

Został on włączony poprzez przyłożenie impulsu do elektrody sterującej przy dodatnim napięciu między anodą a katodą. Wyłączenie tyrystora zapewnia zmniejszenie przepływającego przez niego prądu stałego do zera, dla którego opracowano wiele schematów indukcyjno-pojemnościowych obwodów przełączających. Nie tylko zwiększają koszt konwertera, ale także pogarszają jego wagę i wymiary, zmniejszają niezawodność.

Dlatego równocześnie z powstaniem tyrystora rozpoczęto badania mające na celu zapewnienie jego wyłączania przez elektrodę sterującą. Głównym problemem było zapewnienie szybkiego rozproszenia nośników ładunku w regionach bazowych.

Pierwsze takie tyrystory pojawiły się w 1960 roku w USA. Nazywano je Gate Turn Off (GTO). W naszym kraju są one lepiej znane jako zamykane lub wyłączające tyrystory.

W połowie lat 90. opracowano blokowany tyrystor z pierścieniowym wyjściem elektrody sterującej. Został nazwany Tyrystor komutowany bramką (GCT) i stał się dalszy rozwój Technologie GTO.

Tyrystory

Urządzenie

Zamykany tyrystor to w pełni sterowane urządzenie półprzewodnikowe oparte na klasycznej czterowarstwowej budowie. Jest włączany i wyłączany poprzez przyłożenie dodatnich i ujemnych impulsów prądu do elektrody sterującej. Na ryc. 1 podano symbol(a) i schemat blokowy (b) tyrystora do wyłączenia. Podobnie jak konwencjonalny tyrystor ma katodę K, anodę A, elektrodę sterującą G. Różnice w budowie urządzeń polegają na innym ułożeniu warstw poziomych i pionowych o przewodności n i p.

Największej zmianie uległa struktura warstwy katodowej n. Podzielony jest na kilkaset komórek elementarnych, równomiernie rozmieszczonych na terenie i połączonych równolegle. Taka konstrukcja jest spowodowana chęcią zapewnienia równomiernego spadku prądu na całym obszarze struktury półprzewodnikowej, gdy urządzenie jest wyłączone.

Warstwa bazowa p, pomimo tego, że jest wykonana jako pojedynczy zespół, ma dużą liczbę styków elektrody sterującej (w przybliżeniu równą liczbie ogniw katodowych), również równomiernie rozłożonych na powierzchni i połączonych równolegle. Warstwa podstawowa n jest wykonana podobnie do odpowiedniej warstwy konwencjonalnego tyrystora.

Warstwa anodowa p ma boczniki (strefy n) łączące bazę n ze stykiem anodowym poprzez małe rozłożone rezystancje. Boczniki anodowe są stosowane w tyrystorach, które nie mają zdolności do blokowania wstecznego. Mają one na celu skrócenie czasu wyłączenia urządzenia poprzez poprawę warunków wydobywania ładunków z obszaru bazowego n.

Główną konstrukcją tyrystorów GTO jest typ peletek z czterowarstwowym waflem krzemowym umieszczonym w kompensujących termicznie dyskach molibdenowych pomiędzy dwiema miedzianymi podstawami o zwiększonej przewodności cieplnej i elektrycznej. Elektroda sterująca mająca wyjście w ceramicznej obudowie styka się z płytką krzemową. Urządzenie jest zaciskane przez powierzchnie styku pomiędzy dwiema połówkami chłodnic odizolowanych od siebie i mających konstrukcję określoną przez rodzaj układu chłodzenia.

Zasada działania

Cykl pracy tyrystora GTO składa się z czterech faz: włączony, stan przewodzenia, wyłączony i stan zablokowania.

Na schematycznym przekroju struktury tyrystora (ryc. 1, b) dolny koniec struktury jest anodowy. Anoda styka się z warstwą p. Następnie od dołu do góry znajdują się: warstwa bazowa n, warstwa bazowa p (z przewodem elektrody sterującej), warstwa n w bezpośrednim kontakcie z przewodem katodowym. Cztery warstwy tworzą trzy połączenia p-n: j1 między warstwami p i n; j2 między warstwami n i p; j3 między warstwami p i n.

Faza 1- włączenie. Przejście struktury tyrystora ze stanu zablokowania do stanu przewodzenia (załączenie) jest możliwe tylko wtedy, gdy między anodą a katodą zostanie przyłożone napięcie stałe. Przejścia j1 ​​i j3 są przesunięte do przodu i nie zapobiegają przejściu nośników ładunku. Całe napięcie jest przykładane do środkowego złącza j2, które jest spolaryzowane zaporowo. W pobliżu przejścia j2 tworzy się strefa zubożona w nośniki ładunku, nazywana obszarem ładunku kosmicznego. Aby włączyć tyrystor GTO, napięcie o dodatniej biegunowości U G jest przykładane do elektrody sterującej i katody przez obwód sterujący (wyjście „+” do warstwy p). W rezultacie prąd włączania I G przepływa przez obwód.

Tyrystory zatrzaskowe stawiają rygorystyczne wymagania dotyczące czasu narastania dIG/dt i amplitudy prądu sterującego IGM. Przez przejście j3, oprócz prądu upływu, zaczyna płynąć prąd włączania I G. Elektrony, które wytwarzają ten prąd, zostaną wstrzyknięte z warstwy n do warstwy p. Ponadto część z nich zostanie przeniesiona przez pole elektryczne przejścia bazy j2 do warstwy n.

Jednocześnie zwiększy się przeciwwtrysk otworów z warstwy p w warstwę n i dalej w warstwę p, ​​tj. nastąpi wzrost prądu wytwarzanego przez mniejszościowych nośników ładunku.

Całkowity prąd przechodzący przez przejście bazy j2 przekracza prąd włączania, tyrystor otwiera się, po czym nośniki ładunku będą swobodnie przechodzić przez wszystkie jego cztery obszary.

Faza 2- prowadzenie państwa. W trybie przepływu prądu stałego nie ma potrzeby stosowania prądu sterującego I G, jeśli prąd w obwodzie anodowym przekracza prąd podtrzymania. Jednak w praktyce, aby wszystkie struktury tyrystora były wyłączone, aby były stale w stanie przewodzenia, nadal konieczne jest utrzymywanie prądu przewidzianego dla danego reżim temperaturowy. W ten sposób przez cały czas załączania i przewodzenia układ sterowania generuje impuls prądowy o dodatniej polaryzacji.

W stanie przewodzącym wszystkie obszary struktury półprzewodnikowej zapewniają równomierny ruch nośników ładunku (elektrony od katody do anody, otwory w przeciwnym kierunku). Prąd anodowy płynie przez złącza j1, j2, a całkowity prąd anody i elektrody sterującej przepływa przez złącze j3.

Faza 3- zamknąć. Aby wyłączyć tyrystor GTO o stałej biegunowości napięcia UT (patrz rys. 3), napięcie o ujemnej polaryzacji UGR jest przykładane do elektrody sterującej i katody przez obwód sterujący. Powoduje prąd wyłączający, którego przepływ prowadzi do resorpcji głównych nośników ładunku (dziur) w warstwie podstawowej p. Innymi słowy, następuje rekombinacja dziur, które weszły do ​​warstwy p z warstwy podstawowej n i elektronów, które weszły do ​​tej samej warstwy przez elektrodę kontrolną.

Gdy złącze bazowe j2 zostanie z nich zwolnione, tyrystor zaczyna się wyłączać. Proces ten charakteryzuje się gwałtownym spadkiem prądu przewodzenia I T tyrystora w krótkim czasie do małej wartości I TQT (patrz ryc. 2). Bezpośrednio po zablokowaniu przejścia bazowego j2, przejście j3 zaczyna się zamykać, jednak ze względu na energię zmagazynowaną w indukcyjności obwodów sterujących pozostaje ono przez pewien czas w stanie uchylonym.

Ryż. 2. Wykresy zmian prądu anody (iT) i elektrody sterującej (iG)

Po zużyciu całej energii zgromadzonej w indukcyjności obwodu sterującego, złącze j3 po stronie katody zostaje całkowicie zablokowane. Od tego momentu prąd płynący przez tyrystor jest równy prądowi upływu płynącemu z anody do katody przez obwód elektrody sterującej.

Proces rekombinacji i w konsekwencji wyłączenia tyrystora bramkowanego w dużej mierze zależy od nachylenia przedniego dIGQ/dt i amplitudy I GQ prąd wsteczny kierownictwo. Aby zapewnić wymaganą stromość i amplitudę tego prądu, do elektrody sterującej należy przyłożyć napięcie UG, które nie powinno przekraczać wartości dopuszczalnej dla przejścia j3.

Faza 4- stan zablokowania W stanie zablokowania na elektrodę sterującą i katodę pozostaje napięcie o ujemnej polaryzacji U GR z jednostki sterującej. Całkowity prąd I GR przepływa przez obwód sterujący, składający się z prądu upływu tyrystora i wstecznego prądu sterującego przechodzącego przez złącze j3. Przejście j3 jest przesunięte w przeciwnym kierunku. Tak więc w tyrystorze GTO, który znajduje się w stanie blokowania do przodu, dwa złącza (j2 i j3) są spolaryzowane zaporowo i tworzą się dwa obszary ładunku kosmicznego.

Przez cały czas stanu wyłączenia i zablokowania układ sterowania generuje impuls o ujemnej polaryzacji.

Obwody ochronne

Zastosowanie tyrystorów GTO wymaga zastosowania specjalnych obwodów ochronnych. Zwiększają wagę i wymiary, koszt konwertera, czasami wymagają dodatkowych urządzeń chłodzących, ale są niezbędne do normalne funkcjonowanie urządzenia.

Celem każdego obwodu ochronnego jest ograniczenie szybkości narastania jednego z dwóch parametrów energia elektryczna podczas przełączania urządzenia półprzewodnikowego. W tym przypadku kondensatory obwodu ochronnego CB (rys. 3) są połączone równolegle z zabezpieczanym urządzeniem T. Ograniczają one szybkość narastania napięcia przewodzenia dUT/dt przy wyłączeniu tyrystora.

Cewki indukcyjne LE są instalowane szeregowo z urządzeniem T. Ograniczają one szybkość narastania prądu przewodzenia dIT / dt, gdy tyrystor jest włączony. Wartości dUT/dt i dIT/dt dla każdego urządzenia są znormalizowane, są podane w książkach referencyjnych i danych paszportowych dla urządzeń.

Ryż. 3. Schemat obwodu ochronnego

Oprócz kondensatorów i dławików w obwodach ochronnych stosowane są dodatkowe elementy zapewniające rozładowanie i ładowanie elementów reaktywnych. Należą do nich: dioda DВ, która bocznikuje rezystor RB, gdy tyrystor T jest wyłączony i kondensator CB jest ładowany, rezystor RB, który ogranicza prąd rozładowania kondensatora CB, gdy tyrystor T jest włączony.

Układ sterowania

System sterowania (CS) zawiera następujące elementy bloki funkcyjne: obwód włączający, składający się z obwodu do generowania impulsu odblokowującego i źródła sygnału do utrzymywania tyrystora w stanie otwartym; układ generowania sygnału blokującego; obwód, aby utrzymać tyrystor zamknięty.

Nie wszystkie typy systemów sterowania wymagają wszystkich wymienionych bloków, ale każdy system sterowania musi zawierać obwody do generowania impulsów odblokowujących i blokujących. W takim przypadku należy zapewnić izolację galwaniczną obwodu sterowania i obwodu mocy wyłączanego tyrystora.

Do sterowania pracą wyłączanego tyrystora stosuje się dwa główne układy sterowania, które różnią się sposobami dostarczania sygnału do elektrody sterującej. W przypadku pokazanym na ryc. 4 sygnały generowane przez blok logiczny St poddawane są galwanicznej izolacji (separacji potencjałów), po czym poprzez klucze SE i SA są podawane do elektrody sterującej wyłączanego tyrystora T. W drugim przypadku, sygnały najpierw działają na przełączniki SE (włączone) i SA (wyłączone), które są pod takim samym potencjałem jak SU, a następnie poprzez urządzenia izolujące galwanicznie UE i UA są podawane do elektrody sterującej.

W zależności od umiejscowienia kluczy SE i SA rozróżnia się schematy sterowania o niskim potencjale (NPSU) i wysokim (VPSU, rys. 4).

Ryż. 4. Opcja obwodu sterującego

Układ sterowania NPCS jest konstrukcyjnie prostszy niż VPSU, jednak jego możliwości są ograniczone w zakresie generowania długotrwałych sygnałów sterujących pracujących w trybie przepływu przez tyrystor prądu stałego, a także w zapewnianiu stromości impulsów sterujących. Do tworzenia sygnałów o długim czasie trwania konieczne jest zastosowanie droższych obwodów push-pull.

W VPSU łatwiej osiąga się wysokie nachylenie i wydłużony czas trwania sygnału sterującego. Dodatkowo tutaj sygnał sterujący jest w pełni wykorzystywany, natomiast w NPSU jego wartość jest ograniczana przez urządzenie separacji potencjałów (np. transformator impulsowy).

Sygnał informacyjny - polecenie włączenia lub wyłączenia - jest zwykle podawany do obwodu przez konwerter optoelektroniczny.

Tyrystory

W połowie lat 90. rozwinęły się ABB i Mitsubishi nowy rodzaj tyrystory Tyrystor komutowany bramką (GCT). Właściwie GCT to dalsze ulepszenie GTO, czyli jego modernizacja. Jednak zasadniczo nowy design elektroda kontrolna, a także zauważalnie różne procesy zachodzące, gdy urządzenie jest wyłączone, skłaniają do rozważenia tego.

GCT został zaprojektowany tak, aby był wolny od wad GTO, więc najpierw musimy zająć się problemami, które pojawiają się podczas korzystania z GTO.

Główną wadą GTO są duże straty energii w obwodach ochronnych urządzenia podczas jego przełączania. Zwiększenie częstotliwości zwiększa straty, dlatego w praktyce tyrystory GTO są przełączane z częstotliwością nie większą niż 250-300 Hz. Główne straty występują w rezystorze RB (patrz rys. 3), gdy tyrystor T jest wyłączony, a w konsekwencji kondensator CB jest rozładowany.

Kondensator CB został zaprojektowany w celu ograniczenia szybkości narastania napięcia przewodzenia du/dt, gdy urządzenie jest wyłączone. Dzięki uniewrażliwieniu tyrystora na efekt du/dt można było zrezygnować z obwodu tłumiącego (obwód formowania ścieżki przełączania), który został zaimplementowany w projekcie GCT.

Funkcja sterowania i projektowania

Główną cechą tyrystorów GCT, w porównaniu z urządzeniami GTO, jest szybkie wyłączenie, które osiąga się zarówno poprzez zmianę zasady sterowania, jak i poprawę konstrukcji urządzenia. Szybkie wyłączanie jest realizowane poprzez zamianę struktury tyrystorowej na tranzystorową, gdy urządzenie jest wyłączone, co czyni urządzenie niewrażliwym na efekt du/dt.

GCT w fazach włączenia, przewodzenia i blokowania jest sterowany w taki sam sposób jak GTO. Po wyłączeniu sterowanie GCT ma dwie funkcje:

• prąd sterujący Ig jest równy lub większy niż prąd anodowy Ia (dla tyrystorów GTO Ig jest 3 do 5 razy mniejszy);
• elektroda sterująca ma niską indukcyjność, co pozwala na uzyskanie wartości dig/dt prądu sterującego 3000 A/µs lub więcej (dla tyrystorów GTO wartość dig/dt wynosi 30-40 A/µs).

Ryż. Rys. 5. Rozkład prądów w strukturze tyrystora GCT po wyłączeniu

Na ryc. 5 przedstawia rozkład prądów w strukturze tyrystora GCT, gdy urządzenie jest wyłączone. Jak wspomniano, proces włączania jest podobny do włączania tyrystorów GTO. Proces zamykania jest inny. Po przyłożeniu ujemnego impulsu sterującego (-Ig) o amplitudzie równej prądowi anodowemu (Ia) cały prąd stały przechodzący przez urządzenie jest odchylany do układu sterującego i dociera do katody z pominięciem przejścia j3 (pomiędzy obszarami p i n ). Złącze j3 jest przesunięte w przeciwnym kierunku, a katoda tranzystor npn zamyka. Dalsze wyłączanie GCT jest podobne do wyłączania dowolnego tranzystora bipolarnego, który nie wymaga zewnętrznego ogranicznika szybkości narastania napięcia przewodzenia dv/dt, a zatem pozwala na brak obwodu tłumiącego.

Zmiana w konstrukcji GCT wynika z faktu, że dynamiczne procesy zachodzące w urządzeniu po jego wyłączeniu przebiegają o jeden lub dwa rzędy wielkości szybciej niż w GTO. Tak więc, podczas gdy minimalny czas wyłączenia i blokowania dla GTO wynosi 100 µs, dla GCT wartość ta nie przekracza 10 µs. Szybkość narastania prądu sterującego przy wyłączonym GCT wynosi 3000 A/µs, GTO nie przekracza 40 A/µs.

Aby zapewnić wysoką dynamikę procesów łączeniowych zmieniliśmy konstrukcję wyjścia elektrody sterującej oraz połączenie urządzenia z kształtownikiem impulsów układu sterowania. Wyjście jest pierścieniowe, otaczające urządzenie na całym obwodzie. Pierścień przechodzi przez ceramiczny korpus tyrystora i styka się: wewnątrz z ogniwami elektrody sterującej; na zewnątrz - z płytką łączącą elektrodę sterującą z kształtownikiem impulsów.

Teraz tyrystory GTO są produkowane przez kilka dużych firm w Japonii i Europie: „Toshiba”, „Hitachi”, „Mitsubishi”, „ABB”, „Eupec”. Parametry napięcia urządzenia UDRM: 2500 V, 4500 V, 6000 V; prąd ITGQM (maksymalny powtarzalny prąd wyłączania): 1000 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A, 6000 A.

Tyrystory GCT są produkowane przez Mitsubishi i ABB. Urządzenia są przystosowane do napięcia UDRM do 4500 V i prądu ITGQM do 4000 A.

Obecnie w rosyjskim przedsiębiorstwie OAO Elektrovypryamitel (Sarańsk) opanowano tyrystory GCT i GTO o średnicy płytki krzemowej do 125 mm i zakresie napięć UDRM 1200 - 6000 V i prądów ITGQM 630 - 4000 A.

Równolegle z blokowanymi tyrystorami i do użytku w połączeniu z nimi firma JSC „Elektrovypryamitel” opracowała i opanowała w masowej produkcji szybko przywracające diody do obwodów tłumiących (tłumiących) i diody prądu wstecznego, a także potężny tranzystor impulsowy dla stopni wyjściowych sterownik sterowania (układ sterowania).

Tyrystory IGCT

Dzięki koncepcji twardej kontroli (dokładne dopasowanie profili stopowych, technologia mesa, napromienianie protonowe i elektronowe w celu stworzenia specjalnego rozkładu centrów kontrolowanej rekombinacji, technologia tzw. przezroczystych lub cienkich emiterów, zastosowanie warstwy buforowej w region o podstawie n itp.), można było osiągnąć znaczną poprawę charakterystyk GTO po wyłączeniu. Kolejnym znaczącym postępem w technologii Hard Driven GTO (HD GTO) pod względem urządzenia, sterowania i aplikacji był pomysł na urządzenia napędzane oparte na nowym tyrystorze Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT). Dzięki technologii twardego sterowania, równomierne przełączanie zwiększa obszar bezpiecznej pracy IGCT do granic limitowanych przez lawinę, tj. do fizycznych możliwości krzemu. Nie są wymagane żadne obwody zabezpieczające du/dt. Połączenie z poprawioną wydajnością strat mocy otworzyło nowe zastosowania w zakresie kiloherców. Moc wymagana do napędu jest zmniejszona o współczynnik 5 w porównaniu ze standardowymi GTO, głównie ze względu na przezroczystą konstrukcję anody. Nowa rodzina instrumentów IGCT z monolitycznym zintegrowanym wysokim mocne diody został opracowany do użytku w zakres 0.5- 6 MV*A. Przy istniejącej technicznej możliwości spójnych i połączenie równoległe Urządzenia IGCT pozwalają zwiększyć poziom mocy do kilkuset megawoltów - amperów.

Dzięki zintegrowanej jednostce sterującej prąd katody jest redukowany, zanim napięcie anodowe zacznie wzrastać. Osiąga się to dzięki bardzo niskiej indukcyjności obwodu bramki, realizowanej przez koncentryczne połączenie elektrody bramkowej w połączeniu z wielowarstwową płytą jednostki sterującej. Dzięki temu możliwe stało się osiągnięcie wartości współczynnika wyłączanego prądu 4 kA/μs. Przy napięciu sterującym UGK=20 V, gdy prąd katodowy staje się zerowy, pozostały prąd anodowy przechodzi do układu sterującego, który w tym momencie ma małą rezystancję. Dzięki temu zużycie energii przez jednostkę sterującą jest zminimalizowane.

Pracując z „twardym” sterowaniem, tyrystor przełącza się z stany p-n-p-n w tryb pnp przez 1 µs. Wyłączenie następuje całkowicie w trybie tranzystorowym, eliminując wszelką możliwość wystąpienia efektu wyzwalania.

Zmniejszenie grubości urządzenia uzyskuje się poprzez zastosowanie warstwy buforowej po stronie anody. Warstwa buforowa półprzewodników mocy poprawia właściwości tradycyjnych elementów, zmniejszając ich grubość o 30% przy tym samym napięciu przebicia w kierunku przewodzenia. Główną zaletą cienkich elementów jest poprawa właściwości technologicznych przy niskich stratach statycznych i dynamicznych. Taka warstwa buforowa w urządzeniu czterowarstwowym wymaga wyeliminowania zwarć anodowych, przy zachowaniu sprawnego uwalniania elektronów podczas wyłączania. Nowy IGCT łączy warstwę buforową z przezroczystym emiterem anodowym. Przezroczysta anoda jest złączem p-n o wydajności emitera kontrolowanego prądem.

Aby uzyskać maksymalną odporność na zakłócenia i zwartość, jednostka sterująca otacza IGCT, tworząc jedną strukturę z chłodnicą i zawiera tylko tę część obwodów, która jest niezbędna do bezpośredniego sterowania IGCT. W efekcie zmniejsza się liczba elementów jednostki sterującej, zmniejszają się parametry rozpraszania ciepła, przeciążenia elektryczne i cieplne. W związku z tym koszt jednostki sterującej i awaryjność są również znacznie zmniejszone. IGCT, ze zintegrowaną skrzynką kontrolną, łatwo i precyzyjnie wpina się w moduł, łączy się z zasilaniem i źródłem sygnału sterującego za pomocą światłowodu. Po prostu otwierając sprężynę, dzięki skomplikowanemu systemowi styków dociskowych, do IGCT przykładana jest odpowiednia siła docisku, tworząc kontakt elektryczny i termiczny. W ten sposób osiąga się maksymalną łatwość montażu i największą niezawodność. Podczas eksploatacji IGCT bez tłumika, wolnobieg musi również działać bez tłumika. Wymagania te spełnia wysokiej mocy, wysokowydajna dioda clamp-on produkowana w procesie napromieniania połączonym z procesami klasycznymi. Zdolność do zapewnienia di / dt zależy od działania diody (patrz ryc. 6).

Ryż. 6. Uproszczony schemat falownika trójfazowego na IGCT

Głównym producentem tranzystorów IGCT jest firma ABB Parametry napięciowe tyrystora U DRM: 4500 V, 6000 V; prąd ITGQM: 3000 A, 4000 A.

Wniosek

Szybki rozwój na początku lat 90. technologii tranzystorów mocy doprowadził do pojawienia się nowej klasy urządzeń - tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Głównymi zaletami tranzystorów IGBT są wysokie częstotliwości pracy, wydajność, prostota i zwartość obwodów sterujących (dzięki niskiemu prądowi sterującemu).

Pojawienie się w ostatnich latach tranzystorów IGBT o napięciach roboczych do 4500 V i możliwości przełączania prądów do 1800 A doprowadziło do wypierania tyrystorów wyłączających (GTO) w urządzeniach o mocy do 1 MW i napięciu do 3,5 kV.

Jednak nowe urządzenia IGCT, zdolne do pracy przy częstotliwościach przełączania od 500 Hz do 2 kHz i charakteryzujące się wyższą wydajnością niż IGBT, łączą optymalną kombinację sprawdzonej technologii tyrystorowej z naturalną niską stratą i pozbawioną tłumików, wysokowydajną technologią wyłączania dzięki działając na elektrodę sterującą. IGCT jest dziś idealnym rozwiązaniem do zastosowań w elektronice mocy średniego i wysokiego napięcia.

Charakterystykę nowoczesnych wyłączników mocy o dużej mocy z dwustronnym radiatorem podano w tabeli. jeden.

Tabela 1. Charakterystyka nowoczesnych wyłączników dużej mocy z radiatorem dwustronnym

Rodzaj urządzenia	Zalety	Wady	Obszary zastosowania
Tradycyjny tyrystor (SCR)	Najniższa strata w stanie. Najwyższa zdolność przeciążania. Wysoka niezawodność. Łatwe łączenie równolegle i szeregowo.	Brak możliwości wymuszonego blokowania elektrody sterującej. Niska częstotliwość robocza.	napęd prądu stałego; potężne zasilacze; spawalniczy; topienie i ogrzewanie; kompensatory statyczne; Klawisze AC
GTO	Możliwość kontrolowania blokowania. Stosunkowo wysoka przeciążalność. Możliwość połączenie szeregowe. Częstotliwości pracy do 250 Hz przy napięciach do 4 kV.	Wysokie straty w stanie. Bardzo duże straty w układzie sterowania. Zaawansowane systemy sterowania i doprowadzenie energii do potencjału. Duże straty przełączania.	Napęd elektryczny; kompensatory statyczne, moc bierna; systemy nieprzerwana dostawa energii;ogrzewanie indukcyjne
IGCT	Możliwość kontrolowania blokowania. Przeciążalność jest taka sama jak GTO. Niskie straty przełączania w stanie załączenia. Częstotliwość robocza - do jednostek, kHz. Wbudowana jednostka sterująca (sterownik). Możliwość połączenia szeregowego.	Nie zidentyfikowano z powodu braku doświadczenia operacyjnego	Potężne źródła zasilania (podstacje inwerterowe i prostownikowe linii przesyłowych prądu stałego); napęd elektryczny (przetwornice napięcia do przemienników częstotliwości i napędy elektryczne różnego przeznaczenia)
IGBT	Możliwość kontrolowania blokowania. Najwyższa częstotliwość robocza (do 10 kHz). Prosty, energochłonny system sterowania. Wbudowany sterownik.	Bardzo wysokie straty na stanie.	Napęd elektryczny (choppery); systemy zasilania bezprzerwowego; kompensatory statyczne i filtry aktywne; kluczowe zasilacze

piątek, 20 lipca 2012 10:00:00

Zasada działania tyrystora

Tyrystor jest kluczem energoelektronicznym nie w pełni kontrolowanym. Dlatego czasami w literaturze technicznej nazywa się to tyrystorem jednooperacyjnym, który można przenieść do stanu przewodzenia tylko za pomocą sygnału sterującego, tj. Włącz. Aby go wyłączyć (podczas pracy nad DC), konieczne jest podjęcie specjalnych środków w celu zapewnienia, że ​​prąd stały spadnie do zera.

Klucz tyrystorowy może przewodzić prąd tylko w jednym kierunku, a po zamknięciu jest w stanie wytrzymać zarówno napięcie do przodu, jak i do tyłu.

Tyrystor ma czterowarstwową strukturę p-n-p-n z trzema zaciskami: anodą (A), katodą (C) i elektrodą sterującą (G), co pokazano na ryc. jeden

Ryż. 1. Tyrystor zwyczajny: a) - konwencjonalne oznaczenie graficzne; b) - charakterystyka prądowo-napięciowa.

Na ryc. 1b przedstawia rodzinę wyjściowych charakterystyk statycznych I–U dla różnych wartości prądu sterującego iG. Maksymalne napięcie przewodzenia, które tyrystor może wytrzymać bez włączania go, ma wartość maksymalną przy iG = 0. Wraz ze wzrostem prądu iG napięcie przewodzenia, które może wytrzymać tyrystor, maleje. Gałąź II odpowiada stanowi włączenia tyrystora, gałąź I odpowiada stanowi wyłączenia, a gałąź III odpowiada procesowi przełączania. Prąd trzymania lub prąd trzymania jest równy minimalnemu dopuszczalnemu prądowi przewodzenia iA, przy którym tyrystor pozostaje w stanie przewodzenia. Wartość ta odpowiada również minimalnej możliwej wartości bezpośredniego spadku napięcia na dołączonym tyrystorze.

Gałąź IV to zależność prądu upływu od napięcia wstecznego. Gdy napięcie wsteczne przekracza wartość UBO, zaczyna się gwałtowny wzrost prądu wstecznego, związany z awarią tyrystora. Charakter awarii może odpowiadać nieodwracalnemu procesowi lub lawinowemu procesowi przebicia nieodłącznie związanemu z działaniem półprzewodnikowej diody Zenera.

Tyrystory są najpotężniejsze klucze elektroniczne zdolne do przełączania obwodów o napięciu do 5 kV i prądach do 5 kA przy częstotliwości nie większej niż 1 kHz.

Konstrukcję tyrystorów pokazano na ryc. 2.

Ryż. 2. Konstrukcja obudów tyrystorowych: a) - tablet; b) - szpilka

Tyrystor w obwodzie prądu stałego

Włączenie konwencjonalnego tyrystora odbywa się poprzez przyłożenie impulsu prądowego do obwodu sterującego o polaryzacji dodatniej względem katody. Na czas trwania stanu nieustalonego po włączeniu istotny wpływ ma rodzaj obciążenia (czynne, indukcyjne itp.), amplituda i szybkość narastania impulsu prądu sterującego iG, temperatura struktury półprzewodnikowej tyrystora, przyłożone napięcie i prąd obciążenia. W obwodzie zawierającym tyrystor nie powinny wystąpić niedopuszczalne wartości szybkości narastania napięcia przewodzenia duAC/dt, przy których może nastąpić samoistne załączenie tyrystora przy braku sygnału sterującego iG i szybkości narastania prądu diA/dt . Jednocześnie nachylenie sygnału sterującego musi być wysokie.

Wśród sposobów wyłączania tyrystorów zwyczajowo rozróżnia się naturalne wyłączenie (lub naturalne przełączanie) i wymuszone (lub sztuczne przełączanie). Przełączanie naturalne występuje podczas pracy tyrystorów w obwodach prądu przemiennego w momencie, gdy prąd spada do zera.

Metody wymuszonego przełączania są bardzo zróżnicowane. Najbardziej typowe z nich to: połączenie wstępnie naładowanego kondensatora C z kluczem S (ryc. 3, a); podłączenie obwodu LC ze wstępnie naładowanym kondensatorem CK (rys. 3b); wykorzystanie oscylacyjnego charakteru procesu przejściowego w obwodzie obciążenia (rysunek 3, c).

Ryż. 3. Metody sztucznego przełączania tyrystorów: a) - za pomocą naładowanego kondensatora C; b) - za pomocą wyładowania oscylacyjnego obwodu LC; c) - ze względu na oscylacyjny charakter obciążenia

Podczas przełączania zgodnie ze schematem na ryc. 3, połączenie kondensator przełączający z odwrotna polaryzacja na przykład inny pomocniczy tyrystor spowoduje jego wyładowanie do przewodzącego głównego tyrystora. Ponieważ prąd rozładowania kondensatora jest skierowany przeciwnie do prądu stałego tyrystora, ten ostatni spada do zera, a tyrystor wyłącza się.

Na schemacie na ryc. 3b, połączenie obwodu LC powoduje oscylacyjne rozładowanie kondensatora przełączającego Sk. Jednocześnie na początku prąd wyładowania przepływa przez tyrystor przeciwnie do jego prądu stałego, gdy się wyrównają, tyrystor wyłącza się. Ponadto prąd obwodu LC przechodzi z tyrystora VS do diody VD. Dopóki prąd obwodu przepływa przez diodę VD, do tyrystora VS będzie przyłożone napięcie wsteczne, równe spadkowi napięcia na otwartej diodzie.

Na schemacie na ryc. 3, obejmują tyrystor VS do złożonego obciążenia RLC spowoduje stan przejściowy. Przy pewnych parametrach obciążenia proces ten może być oscylacyjny ze zmianą polaryzacji prądu obciążenia iн. W takim przypadku po wyłączeniu tyrystora VS włącza się dioda VD, która zaczyna przewodzić prąd o przeciwnej polaryzacji. Czasami ta metoda przełączania nazywana jest quasi-naturalną, ponieważ wiąże się ze zmianą polaryzacji prądu obciążenia.

Tyrystor w obwodzie prądu przemiennego

Gdy tyrystor jest podłączony do obwodu prądu przemiennego, można wykonać następujące operacje:

• włączanie i wyłączanie obwód elektryczny z obciążeniem czynnym i czynno-reaktywnym;
• zmiana średnich i efektywnych wartości prądu przez obciążenie ze względu na możliwość regulacji momentu sygnału sterującego.

Ponieważ klucz tyrystorowy jest zdolny do przewodzenia Elektryczność tylko w jednym kierunku, a następnie do zastosowania tyrystorów na prąd przemienny stosuje się ich połączenie przeciwrównoległe (ryc. 4, a).

Ryż. 4. Przełączanie tył-to-back tyrystorów (a) i kształtu prądu przy aktywnym obciążeniu (b)

Średnie i skuteczne wartości prądu zmieniają się ze względu na zmianę momentu, w którym sygnały otwarcia są podawane na tyrystory VS1 i VS2, tj. zmieniając kąt i (rys. 4b). Wartości tego kąta dla tyrystorów VS1 i VS2 podczas regulacji zmieniane są jednocześnie za pomocą układu sterowania. Kąt nazywany jest kątem sterowania lub kątem zapłonu tyrystora.

Najszerzej stosowane w urządzeniach energoelektronicznych są sterowanie tyrystorami fazowymi (ryc. 4, a, b) i szerokością impulsu (ryc. 4, c).

Ryż. 5. Rodzaj napięcia na obciążeniu przy: a) - kontroli fazy tyrystora; b) - sterowanie fazowe tyrystora z wymuszonym przełączaniem; c) - sterowanie szerokością impulsu tyrystora

Dzięki fazowej metodzie sterowania tyrystorem z przełączaniem wymuszonym regulacja prądu obciążenia jest możliwa zarówno poprzez zmianę kąta α jak i kąta θ. Sztuczne przełączanie odbywa się za pomocą specjalnych węzłów lub przy użyciu w pełni kontrolowanych (zablokowanych) tyrystorów.

W przypadku sterowania szerokością impulsu (modulacja szerokości impulsu - PWM) do tyrystorów podawany jest sygnał sterujący w czasie Tocr, są one otwarte i do obciążenia podawane jest napięcie Un. W czasie Tzamknij nie ma sygnału sterującego, a tyrystory są w stanie nieprzewodzącym. Efektywna wartość prądu w obciążeniu

gdzie In.m. - prąd obciążenia przy Tzamknięty = 0.

Krzywa prądu w obciążeniu podczas sterowania fazowego tyrystorów jest niesinusoidalna, co powoduje zniekształcenie przebiegu napięcia sieciowego i zakłócenia w pracy odbiorników wrażliwych na zakłócenia wysokoczęstotliwościowe – występuje tzw. niezgodność elektromagnetyczna.

Zamykane tyrystory

Tyrystory są najpotężniejszymi przełącznikami elektronicznymi używanymi do przełączania obwodów wysokiego napięcia i wysokiego prądu (wysokiego prądu). Mają jednak istotną wadę - niepełną sterowność, która objawia się tym, że aby je wyłączyć, konieczne jest stworzenie warunków do zmniejszenia prądu przewodzenia do zera. To w wielu przypadkach ogranicza i komplikuje użycie tyrystorów.

Aby wyeliminować tę wadę, opracowano tyrystory, które są bramkowane sygnałem wzdłuż elektrody sterującej G. Takie tyrystory nazywane są tyrystorami wyłączającymi bramkę (GTO) lub dwuoperacyjnymi.

Zamykane tyrystory (ST) mają czterowarstwową strukturę p-p-p-p, ale jednocześnie mają szereg istotnych cech konstrukcyjnych, które nadają im zasadniczo inną właściwość niż tradycyjne tyrystory - właściwość pełnej sterowalności. Statyczna charakterystyka I-V bramkowanych tyrystorów w kierunku do przodu jest identyczna z charakterystyką IV konwencjonalnych tyrystorów. Jednak tyrystor wyłączający zwykle nie jest w stanie zablokować dużych napięć wstecznych i często jest podłączony do diody back-to-back. Dodatkowo blokowane tyrystory charakteryzują się znacznymi spadkami napięcia przewodzenia. Aby wyłączyć blokowany tyrystor, konieczne jest podanie na obwód elektrody sterującej silnego ujemnego impulsu prądu (około 1:5 w stosunku do wartości prądu wyłączania bezpośredniego), ale o krótkim czasie trwania (10-100 μs).

Zamykane tyrystory mają również niższe graniczne napięcia i prądy (o około 20-30%) w porównaniu do konwencjonalnych tyrystorów.

Główne typy tyrystorów

Oprócz blokowanych tyrystorów opracowano szeroką gamę tyrystorów różne rodzaje, różniące się prędkością, procesami sterowania, kierunkiem prądów w stanie przewodzenia itp. Wśród nich należy zwrócić uwagę na następujące typy:

• dioda tyrystorowa, która jest odpowiednikiem tyrystora z diodą typu back-to-back (ryc. 6.12, a);
• tyrystor diodowy (dinistor), który przechodzi w stan przewodzenia, gdy między A i C zostanie przyłożony pewien poziom napięcia (ryc. 6, b);
• zamykany tyrystor (ryc. 6.12, c);
• symetryczny tyrystor lub triak, który jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów typu „back-to-back” (ryc. 6.12, d);
• tyrystor falownikowy o dużej prędkości (czas wyłączenia 5-50 µs);
• tyrystor z kontrolą pola na elektrodzie bramkowej, na przykład oparty na połączeniu MOSFET z tyrystorem;
• tyrystor sterowany strumieniem światła.

Ryż. 6. Konwencjonalne oznaczenia graficzne tyrystorów: a) - tyrystor-dioda; b) - tyrystor diodowy (dinistor); c) - blokowany tyrystor; d) - triak

Ochrona tyrystorowa

Tyrystory są urządzeniami krytycznymi dla szybkości narastania prądu przewodzenia diA/dt i napięcia przewodzenia duAC/dt. Tyrystory, podobnie jak diody, mają zjawisko przepływu wstecznego prądu powrotnego, którego gwałtowny spadek do zera potęguje możliwość wystąpienia wysokich przepięć duAC/dt. Takie przepięcia są wynikiem nagłego zaniku prądu w elementach obwodów indukcyjnych, w tym małych indukcyjności przewodów. Dlatego, aby chronić tyrystory, zwykle używają różne schematy DFTTP, który w trybach dynamicznych chroni przed nieprawidłowymi wartościami diA/dt i duAC/dt.

W większości przypadków wewnętrzne Reaktywność indukcyjnaźródła napięcia zawarte w obwodzie dołączonego tyrystora okazuje się wystarczające, aby nie wprowadzać dodatkowej indukcyjności LS. Dlatego w praktyce częściej występuje zapotrzebowanie na CFTS, które zmniejszają poziom i prędkość przepięć podczas wyłączania (rys. 7).

Ryż. 7. Typowy obwód ochronny tyrystora

W tym celu zwykle stosuje się obwody RC, połączone równolegle z tyrystorem. Istnieją różne modyfikacje obwodów obwodów RC i metody obliczania ich parametrów dla różnych warunków użytkowania tyrystorów.

W przypadku tyrystorów z blokadą stosuje się obwody formowania trajektorii przełączania, podobne w obwodach do tranzystorów CFTP.