Tiristoare: principiu de funcționare, proiectare, tipuri și metode de includere

Principiul de funcționare al tiristorului

Un tiristor este un comutator electronic de putere, care nu este complet controlabil. Prin urmare, uneori în literatura tehnică se numește tiristor cu o singură operație, care poate fi comutat într-o stare de conducere numai printr-un semnal de control, adică poate fi pornit. Pentru a-l opri (în funcționare cu curent continuu), trebuie luate măsuri speciale pentru a se asigura că curentul continuu scade la zero.

Un comutator cu tiristor poate conduce curentul doar într-o singură direcție, iar în stare închisă este capabil să reziste atât la tensiunea directă, cât și la cea inversă.

Tiristorul are o structură p-n-p-n cu patru straturi cu trei conductoare: Anod (A), Catod (C) și Poartă (G), care este prezentată în Fig. 1

Orez. 1. Tiristor convențional: a) — denumire grafică convențională; b) — caracteristica volt-amper.

În fig. 1b prezintă o familie de caracteristici I — V statice de ieșire la diferite valori ale curentului de control iG. Tensiunea directă limită pe care tiristorul o poate rezista fără a-l porni are valori maxime la iG = 0.Pe măsură ce curentul crește, iG scade tensiunea pe care o poate rezista tiristorul. Starea de pornire a tiristorului corespunde ramurii II, starea oprită corespunde ramurii I, iar procesul de comutare corespunde ramurii III. Curentul de menținere sau curentul de menținere este egal cu curentul direct minim admisibil iA la care tiristorul rămâne conducător. Această valoare corespunde, de asemenea, valorii minime posibile a căderii de tensiune directă pe tiristorul de pe.

Ramura IV reprezintă dependența curentului de scurgere de tensiunea inversă. Când tensiunea inversă depășește valoarea UBO, începe o creștere bruscă a curentului invers, asociată cu defecțiunea tiristorului. Natura defecțiunii poate corespunde unui proces ireversibil sau unui proces de avalanșă inerent funcționării unei diode zener semiconductoare.

Tiristoarele sunt cele mai puternice comutatoare electronice, capabile să comute circuite cu tensiuni de până la 5 kV și curenți de până la 5 kA la o frecvență de cel mult 1 kHz.

Proiectarea tiristoarelor este prezentată în fig. 2.

Orez. 2. Proiectarea cutiilor de tiristoare: a) — tabletă; b) — un ac

tiristor DC

Un tiristor convențional este pornit prin aplicarea unui impuls de curent circuitului de control cu ​​polaritate pozitivă față de catod. Durata tranzitoriului în timpul pornirii este afectată semnificativ de natura sarcinii (activă, inductivă etc.), de amplitudinea și rata de creștere a impulsului curent de control iG, de temperatura structurii semiconductoare a tiristorului, tensiunea aplicată și curentul de sarcină.Într-un circuit care conține un tiristor, nu ar trebui să existe valori inacceptabile ale ratei de creștere a tensiunii directe duAC / dt, unde activarea spontană a tiristorului poate apărea în absența semnalului de control iG și a ratei de creștere de la curentul diA / dt. În același timp, panta semnalului de control trebuie să fie mare.

Printre modalitățile de a opri tiristoarele, se obișnuiește să se facă distincția între oprirea naturală (sau comutarea naturală) și comutarea forțată (sau comutarea artificială). Comutația naturală are loc atunci când tiristoarele funcționează în circuite alternative în momentul în care curentul scade la zero.

Metodele de comutare forțată sunt foarte diverse.Cele mai tipice dintre ele sunt următoarele: conectarea unui condensator C preîncărcat cu un comutator S (Figura 3, a); conectarea unui circuit LC cu un condensator preîncărcat CK (Figura 3 b); utilizarea naturii oscilatorii a procesului tranzitoriu în circuitul de sarcină (Figura 3, c).

Orez. 3. Metode de comutare artificială a tiristoarelor: a) — prin intermediul condensatorului încărcat C; b) — prin intermediul descărcării oscilatorii a circuitului LC; c) — datorită caracterului fluctuant al sarcinii

La comutare conform diagramei din fig. 3 și conectarea unui condensator de comutare cu polaritate inversă, de exemplu la un alt tiristor auxiliar, va determina descărcarea acestuia în tiristorul principal conducător. Deoarece curentul de descărcare al condensatorului este direcționat împotriva curentului direct al tiristorului, acesta din urmă scade la zero și tiristorul se oprește.

În schema din fig. 3, b, conexiunea circuitului LC determină o descărcare oscilantă a condensatorului de comutare CK.În acest caz, la început, curentul de descărcare trece prin tiristor opus curentului său direct, când devin egale, tiristorul se oprește. În plus, curentul circuitului LC trece de la tiristorul VS la dioda VD. Pe măsură ce curentul în buclă trece prin dioda VD, tiristorului VS va fi aplicată o tensiune inversă egală cu căderea de tensiune pe dioda deschisă.

În schema din fig. 3, conectarea unui tiristor VS la o sarcină complexă RLC va provoca un tranzitoriu. Cu anumiți parametri ai sarcinii, acest proces poate avea un caracter oscilator cu o modificare a polarității curentului de sarcină în. În acest caz, după oprirea tiristorului VS, se pornește dioda VD, care începe să conducă un curent de polaritate opusă. Uneori, această metodă de comutare este numită cvasi-naturală deoarece implică o modificare a polarității curentului de sarcină.

tiristor AC

Când tiristorul este conectat la circuitul de curent alternativ, sunt posibile următoarele operații:

• pornirea și oprirea circuitului electric cu sarcină activă și activ-reactivă;

• modificarea valorilor medii și efective ale curentului prin sarcină datorită faptului că este posibil să se regleze sincronizarea semnalului de control.

Deoarece comutatorul tiristoarelor este capabil să conducă curentul electric într-o singură direcție, atunci pentru utilizarea tiristoarelor de curent alternativ se utilizează conexiunea lor paralelă (Fig. 4, a).

Orez. 4. Conectarea anti-paralelă a tiristoarelor (a) și forma curentului cu sarcină activă (b)

Medie și curent efectiv variază din cauza unei modificări a timpului la care semnalele de deschidere sunt aplicate tiristoarelor VS1 și VS2, adică prin modificarea unghiului și (Fig. 4, b).Valorile acestui unghi pentru tiristoarele VS1 și VS2 în timpul reglării sunt modificate simultan de sistemul de control. Unghiul se numește unghi de control sau unghi de tragere al tiristorului.

Cele mai utilizate în dispozitivele electronice de putere sunt controlul de fază (Fig. 4, a, b) și tiristoare cu lățimea impulsului (Fig. 4, c).

Orez. 5. Tipul tensiunii de sarcină la: a) — controlul de fază al tiristorului; b) — controlul de fază al unui tiristor cu comutație forțată; c) — control tiristor al lățimii impulsului

Cu metoda fază de control a tiristoarelor cu comutație forțată, reglarea curentului de sarcină este posibilă atât prin schimbarea unghiului ?, cât și a unghiului ?... Comutarea artificială se realizează folosind noduri speciale sau folosind tiristoare complet controlate (de blocare).

Cu controlul lățimii impulsului (modularea lățimii impulsului — PWM) în timpul Totkr, tiristoarelor se aplică un semnal de control, acestea sunt deschise și tensiunea Un este aplicată sarcinii. În timpul Tacr, semnalul de control este absent și tiristoarele sunt într-o stare neconductivă. Valoarea RMS a curentului din sarcină

unde In.m. — curent de sarcină la Tcl = 0.

Curba de curent în sarcina cu control de fază a tiristoarelor este nesinusoidală, ceea ce provoacă distorsiuni ale formei tensiunii rețelei de alimentare și perturbări în activitatea consumatorilor sensibili la perturbații de înaltă frecvență - așa-numita apare. Incompatibilitate electromagnetică.

Tiristoare de blocare

Tiristoarele sunt cele mai puternice comutatoare electronice folosite pentru a comuta circuite de înaltă tensiune, curent înalt (curent mare).Cu toate acestea, au un dezavantaj semnificativ - controlabilitatea incompletă, care se manifestă prin faptul că, pentru a le opri, este necesar să se creeze condiții pentru reducerea curentului direct la zero. În multe cazuri, acest lucru limitează și complică utilizarea tiristoarelor.

Pentru a elimina acest dezavantaj, au fost dezvoltate tiristoare care sunt blocate printr-un semnal de la electrodul de control G. Astfel de tiristoare sunt numite tiristoare cu gate-off (GTO) sau cu dublă operare.

Tiristoarele de blocare (ZT) au o structură p-p-p-p cu patru straturi, dar în același timp au o serie de caracteristici semnificative de proiectare care le conferă o complet diferită de tiristoarele tradiționale - proprietatea controlabilității complete. Caracteristica I-V statică a tiristoarelor de oprire în direcția înainte este identică cu caracteristica I-V a tiristoarelor convenționale. Cu toate acestea, tiristorul de blocare nu poate bloca de obicei tensiunile inverse mari și este adesea conectat la o diodă anti-paralelă. În plus, tiristoarele de blocare sunt caracterizate de căderi semnificative de tensiune directă. Pentru a opri tiristorul de blocare, este necesar să aplicați un impuls puternic de curent negativ (aproximativ 1: 5 în raport cu valoarea curentului constant de oprire) circuitului electrodului de închidere, dar cu o durată scurtă (10- 100 μs).

De asemenea, tiristoarele cu blocare au tensiuni și curenți de întrerupere mai mici (cu aproximativ 20-30%) decât tiristoarele convenționale.

Principalele tipuri de tiristoare

Cu excepția tiristoarelor de blocare, a fost dezvoltată o gamă largă de tiristoare de diferite tipuri, care diferă în ceea ce privește viteza, procesele de control, direcția curenților în starea conducătoare etc.Printre acestea, trebuie remarcate următoarele tipuri:

• diodă tiristor, care este echivalentă cu un tiristor cu o diodă conectată antiparalel (Fig. 6.12, a);

• tiristor diodă (dinistor), trecerea în stare conductivă la depășirea unui anumit nivel de tensiune, aplicată între A și C (Fig. 6, b);

• tiristor de blocare (Fig. 6.12, c);

• tiristor simetric sau triac, care este echivalent cu două tiristoare conectate antiparalel (Fig. 6.12, d);

• tiristor cu invertor de mare viteză (timp de oprire 5-50 μs);

• tiristor de câmp, de exemplu, bazat pe o combinație a unui tranzistor MOS cu un tiristor;

• tiristor optic controlat de fluxul luminos.

Orez. 6. Denumirea grafică convențională a tiristoarelor: a) — diodă tiristor; b) — tiristor diodă (dinistor); c) — tiristor de blocare; d) — triac

Protectie tiristoare

Tiristoarele sunt dispozitive critice pentru rata de creștere a curentului direct diA / dt și căderea de tensiune duAC / dt. Tiristoarele, ca și diodele, se caracterizează prin fenomenul de curent de recuperare inversă, a cărui scădere bruscă la zero agravează posibilitatea supratensiunilor cu o valoare mare duAC / dt. Astfel de supratensiuni sunt rezultatul unei întreruperi bruște a curentului în elementele inductive ale circuitului, inclusiv inductanțe mici instalare. Prin urmare, diferite scheme CFTCP sunt de obicei utilizate pentru a proteja tiristoarele, care în modurile dinamice oferă protecție împotriva valorilor inacceptabile ale diA / dt și duAC / dt.

În cele mai multe cazuri, rezistența inductivă internă a surselor de tensiune incluse în circuitul tiristorului inclus este suficientă astfel încât să nu se introducă inductanță suplimentară LS.Prin urmare, în practică, este adesea nevoie de CFT-uri care reduc nivelul și viteza de declanșare (Fig. 7).

Orez. 7. Circuit tipic de protecție a tiristoarelor

Circuitele RC conectate în paralel cu tiristorul sunt de obicei utilizate în acest scop. Există diverse modificări ale circuitelor RC și metode de calculare a parametrilor acestora pentru diferite condiții de utilizare a tiristoarelor.

Pentru tiristoarele cu blocare, circuitele sunt folosite pentru a forma o cale de comutare, similară ca circuit cu tranzistoarele CFTT.