Thyristorer: funktionsprincip, design, typer og metoder til inklusion

Princippet om drift af tyristoren

En tyristor er en kraftelektronisk, ikke fuldt kontrollerbar kontakt. Derfor kaldes det nogle gange i den tekniske litteratur en enkeltoperationstyristor, som kun kan skiftes til en ledende tilstand ved hjælp af et styresignal, dvs. den kan tændes. For at slå den fra (i jævnstrømsdrift) skal der tages særlige forholdsregler for at sikre, at jævnstrømmen falder til nul.

En tyristorkontakt kan kun lede strøm i én retning, og i lukket tilstand er den i stand til at modstå både frem- og tilbagespænding.

Tyristoren har en fire-lags p-n-p-n struktur med tre ledninger: Anode (A), katode (C) og port (G), som er vist i fig. 1

Ris. 1. Konventionel tyristor: a) — konventionel grafisk betegnelse; b) — volt-ampere karakteristik.

I fig. 1b viser en familie af udgangsstatiske I - V-karakteristika ved forskellige værdier af styrestrømmen iG. Den begrænsende fremadspænding, som tyristoren kan modstå uden at tænde den, har maksimale værdier ved iG = 0.Når strømmen stiger, mindsker iG den spænding, som tyristoren kan modstå. Tyristorens tændte tilstand svarer til gren II, off-tilstanden svarer til gren I, og koblingsprocessen svarer til gren III. Holdestrømmen eller holdestrømmen er lig med den mindst tilladte fremadgående strøm iA, ved hvilken tyristoren forbliver ledende. Denne værdi svarer også til den mindst mulige værdi af det fremadrettede spændingsfald over på-tyristoren.

Gren IV repræsenterer lækstrømmens afhængighed af omvendt spænding. Når den omvendte spænding overstiger værdien af ​​UBO, begynder en kraftig stigning i den omvendte strøm, forbundet med svigt af tyristoren. Arten af ​​sammenbruddet kan svare til en irreversibel proces eller en lavinenedbrudsproces, der er iboende i driften af ​​en halvleder-zenerdiode.

Thyristorer er de mest kraftfulde elektroniske kontakter, der er i stand til at skifte kredsløb med spændinger op til 5 kV og strømme op til 5 kA ved en frekvens på højst 1 kHz.

Udformningen af ​​tyristorer er vist i fig. 2.

Ris. 2. Designet af tyristorkasser: a) — tablet; b) — en stift

DC tyristor

En konventionel tyristor tændes ved at påføre en strømimpuls til styrekredsløbet med positiv polaritet i forhold til katoden. Varigheden af ​​transienten under tænding påvirkes væsentligt af belastningens art (aktiv, induktiv osv.), amplituden og stigningshastigheden af ​​styrestrømimpulsen iG, temperaturen af ​​halvlederstrukturen af ​​tyristoren, den påførte spænding og belastningsstrøm.I et kredsløb, der indeholder en tyristor, bør der ikke være nogen uacceptable værdier for stigningshastigheden af ​​fremadspændingen duAC / dt, hvor spontan aktivering af tyristoren kan forekomme i fravær af styresignalet iG og hastigheden af stigning fra den nuværende diA / dt. Samtidig skal styresignalets hældning være høj.

Blandt måderne at slukke tyristorer på er det sædvanligt at skelne mellem naturlig sluk (eller naturlig kobling) og tvungen (eller kunstig kobling). Naturlig kommutering opstår, når tyristorer fungerer i vekslende kredsløb i det øjeblik, hvor strømmen falder til nul.

Metoderne til tvungen omskiftning er meget forskellige.De mest typiske af dem er følgende: tilslutning af en forudopladet kondensator C med en kontakt S (figur 3, a); at forbinde et LC-kredsløb med en forudopladet kondensator CK (figur 3 b); brugen af ​​den oscillerende karakter af den transiente proces i belastningskredsløbet (figur 3, c).

Ris. 3. Metoder til kunstig omskiftning af tyristorer: a) — ved hjælp af opladet kondensator C; b) — ved hjælp af oscillerende udladning af LC-kredsløbet; c) — på grund af belastningens svingende karakter

Ved omskiftning i henhold til diagrammet i fig. 3 og tilslutning af en omskifterkondensator med omvendt polaritet, f.eks. til en anden hjælpetyristor, vil få den til at aflades til den ledende hovedtyristor. Da kondensatorens afladningsstrøm er rettet mod tyristorens fremadgående strøm, falder sidstnævnte til nul, og tyristoren slukker.

I diagrammet i fig. 3, b, forårsager forbindelsen af ​​LC-kredsløbet en oscillerende afladning af koblingskondensatoren CK.I dette tilfælde strømmer udladningsstrømmen i begyndelsen gennem tyristoren modsat dens fremadgående strøm, når de bliver ens, slukker tyristoren. Derudover går strømmen af ​​LC-kredsløbet fra tyristoren VS til dioden VD. Når sløjfestrømmen løber gennem dioden VD, vil en omvendt spænding svarende til spændingsfaldet over den åbne diode blive påført tyristoren VS.

I diagrammet i fig. 3, vil tilslutning af en tyristor VS til en kompleks RLC-belastning forårsage en transient. Med visse parametre for belastningen kan denne proces have en oscillerende karakter med en ændring i polariteten af ​​belastningsstrømmen i. I dette tilfælde, efter at have slukket for tyristoren VS, tændes dioden VD, som begynder at lede en strøm på modsat polaritet. Nogle gange kaldes denne koblingsmetode kvasi-naturlig, fordi den involverer en ændring i belastningsstrømmens polaritet.

AC tyristor

Når tyristoren er forbundet til AC-kredsløbet, er følgende operationer mulige:

• tænde og slukke for det elektriske kredsløb med aktiv og aktiv-reaktiv belastning;

• ændring i gennemsnitlige og effektive strømværdier gennem belastningen på grund af det faktum, at det er muligt at justere timingen af ​​styresignalet.

Da tyristorkontakten kun er i stand til at lede elektrisk strøm i én retning, anvendes deres parallelforbindelse til brug af vekselstrømthyristorer (fig. 4, a).

Ris. 4. Anti-parallel forbindelse af tyristorer (a) og strømmens form med en aktiv belastning (b)

Gennemsnitlig og effektiv strøm variere på grund af en ændring i det tidspunkt, hvor åbningssignaler tilføres tyristor VS1 og VS2, dvs. ved at ændre vinklen og (fig. 4, b).Værdierne af denne vinkel for tyristor VS1 og VS2 under regulering ændres samtidigt af styresystemet. Vinklen kaldes kontrolvinklen eller affyringsvinklen for tyristoren.

De mest udbredte i kraftelektroniske enheder er fase (fig. 4, a, b) og tyristorstyring med pulsbredde (fig. 4, c).

Ris. 5. Type belastningsspænding ved: a) — fasestyring af tyristoren; b) — fasestyring af en tyristor med tvungen kommutering; c) — pulsbredde-tyristorstyring

Med fasemetoden for tyristorstyring med tvungen kommutering er regulering af belastningsstrømmen mulig både ved at ændre vinklen ? og vinkel ?... Kunstig kobling udføres ved hjælp af specielle knudepunkter eller ved hjælp af fuldt kontrollerede (låsende) tyristorer.

Med pulsbreddestyring (pulsbreddemodulation — PWM) under Totkr påføres et styresignal til tyristorerne, de er åbne, og spændingen Un påføres belastningen. Under Tacr-tiden er styresignalet fraværende, og tyristorerne er i en ikke-ledende tilstand. RMS værdi af strømmen i belastningen

hvor In.m. — belastningsstrøm ved Tcl = 0.

Strømkurven i belastningen med fasestyring af tyristorerne er ikke-sinusformet, hvilket forårsager forvrængning af formen af ​​spændingen i forsyningsnettet og forstyrrelser i arbejdet hos forbrugere, der er følsomme over for højfrekvente forstyrrelser - den såkaldte opstår. Elektromagnetisk inkompatibilitet.

Låsning af tyristorer

Thyristorer er de mest kraftfulde elektroniske kontakter, der bruges til at skifte højspændings-, højstrøms- (højstrøms) kredsløb.Men de har en betydelig ulempe - ufuldstændig kontrollerbarhed, hvilket manifesterer sig i det faktum, at for at slukke dem er det nødvendigt at skabe betingelser for at reducere den fremadgående strøm til nul. Dette begrænser og komplicerer i mange tilfælde brugen af ​​tyristorer.

For at eliminere denne ulempe er der udviklet tyristorer, som er låst af et signal fra styreelektroden G. Sådanne tyristorer kaldes gate-off tyristorer (GTO) eller dual-operation.

Låsetyristorer (ZT) har en fire-lags p-p-p-p struktur, men har samtidig en række væsentlige designfunktioner, der giver dem en helt anden end traditionelle tyristorer - egenskaben af ​​fuld styrbarhed. Den statiske I-V-karakteristik for slukkede tyristorer i fremadgående retning er identisk med I-V-karakteristikken for konventionelle tyristorer. Imidlertid er lock-in-tyristoren normalt ikke i stand til at blokere store omvendte spændinger og er ofte forbundet med en anti-parallel diode. Derudover er lock-in tyristorer karakteriseret ved betydelige fremadgående spændingsfald. For at slukke for låsetyristoren er det nødvendigt at påføre en kraftig puls af negativ strøm (ca. 1: 5 i forhold til værdien af ​​den konstante slukkestrøm) til kredsløbet af lukkeelektroden, men med en kort varighed (10- 100 μs).

Lock-in tyristorer har også lavere afskæringsspændinger og strømme (med ca. 20-30%) end konventionelle tyristorer.

De vigtigste typer af tyristorer

Med undtagelse af lock-in tyristorer er der udviklet en bred vifte af tyristorer af forskellige typer, forskellige i hastighed, styringsprocesser, retning af strømme i ledende tilstand mv.Blandt dem skal følgende typer bemærkes:

• tyristordiode, som svarer til en tyristor med en antiparallel forbundet diode (fig. 6.12, a);

• diodetyristor (dynistor), der skifter til en ledende tilstand, når et bestemt spændingsniveau overskrides, påført mellem A og C (fig. 6, b);

• låsetyristor (fig. 6.12, c);

• symmetrisk tyristor eller triac, som svarer til to antiparallelt forbundne tyristorer (fig. 6.12, d);

• højhastigheds-inverter-tyristor (slukketid 5-50 μs);

• felttyristor, for eksempel baseret på en kombination af en MOS-transistor med en tyristor;

• optisk tyristor styret af lysflux.

Ris. 6. Konventionel grafisk betegnelse for tyristorer: a) — tyristordiode; b) — diodetyristor (dynistor); c) — låsende tyristor; d) — triac

Thyristor beskyttelse

Thyristorer er kritiske enheder for stigningshastigheden af ​​den fremadgående strøm diA / dt og spændingsfaldet duAC / dt. Tyristorer, ligesom dioder, er karakteriseret ved fænomenet omvendt genvindingsstrøm, hvis skarpe fald til nul forværrer muligheden for overspændinger med en høj duAC / dt-værdi. Sådanne overspændinger er resultatet af en pludselig afbrydelse af strømmen i kredsløbets induktive elementer, inkl. små induktanser installation. Derfor bruges forskellige CFTCP-skemaer normalt til at beskytte tyristorer, som i dynamiske tilstande giver beskyttelse mod uacceptable værdier af diA / dt og duAC / dt.

I de fleste tilfælde er den interne induktive modstand af spændingskilderne inkluderet i kredsløbet af den medfølgende tyristor tilstrækkelig, således at der ikke indføres yderligere induktans LS.Derfor er der i praksis ofte behov for CFT'er, der reducerer niveauet og hastigheden af ​​udløsningsstød (fig. 7).

Ris. 7. Typisk tyristorbeskyttelseskredsløb

RC-kredsløb forbundet parallelt med tyristoren bruges normalt til dette formål. Der er forskellige kredsløbsmodifikationer af RC-kredsløb og metoder til at beregne deres parametre for forskellige betingelser for brug af tyristorer.

For lock-in tyristorer bruges kredsløb til at danne en koblingsvej, der ligner CFTT-transistorer i kredsløb.