Tiristori: princip rada, dizajn, vrste i metode uključivanja

Princip rada tiristora

Tiristor je energetski elektronički prekidač kojim se ne može u potpunosti upravljati. Stoga se ponekad u tehničkoj literaturi naziva jednohodnim tiristorom, koji se samo upravljačkim signalom može prebaciti u vodljivo stanje, tj. uključiti. Da biste ga isključili (u radu istosmjerne struje), moraju se poduzeti posebne mjere kako bi se osiguralo da istosmjerna struja padne na nulu.

Tiristorska sklopka može provoditi struju samo u jednom smjeru, au zatvorenom stanju može izdržati i napon naprijed i natrag.

Tiristor ima četveroslojnu p-n-p-n strukturu s tri izvoda: Anoda (A), Katoda (C) i Vrata (G), što je prikazano na sl. 1

Riža. 1. Konvencionalni tiristor: a) — konvencionalna grafička oznaka; b) — volt-amperska karakteristika.

Na sl. Slika 1b prikazuje obitelj izlaznih statičkih I - V karakteristika pri različitim vrijednostima upravljačke struje iG. Granični prednji napon koji tiristor može izdržati bez uključivanja ima maksimalne vrijednosti pri iG = 0.Kako struja raste, iG smanjuje napon koji tiristor može izdržati. Uključeno stanje tiristora odgovara grani II, isključeno stanje odgovara grani I, a proces uključivanja odgovara grani III. Struja zadržavanja ili struja zadržavanja jednaka je minimalnoj dopuštenoj struji naprijed iA pri kojoj tiristor ostaje provodljiv. Ova vrijednost također odgovara minimalnoj mogućoj vrijednosti pada napona na uključenom tiristoru.

Grana IV predstavlja ovisnost struje curenja o reverznom naponu. Kada obrnuti napon premaši vrijednost UBO, počinje nagli porast obrnute struje, povezan s kvarom tiristora. Priroda sloma može odgovarati ireverzibilnom procesu ili lavinskom procesu sloma svojstvenom radu poluvodičke zener diode.

Tiristori su najsnažniji elektronički prekidači, sposobni za prebacivanje krugova s ​​naponima do 5 kV i strujama do 5 kA pri frekvenciji ne većoj od 1 kHz.

Dizajn tiristora prikazan je na sl. 2.

Riža. 2. Dizajn tiristorskih kutija: a) — tableta; b) — igla

DC tiristor

Konvencionalni tiristor uključuje se primjenom strujnog impulsa u upravljački krug s pozitivnim polaritetom u odnosu na katodu. Na trajanje prijelazne pojave tijekom uključivanja značajno utječu priroda opterećenja (aktivno, induktivno itd.), amplituda i brzina porasta impulsa upravljačke struje iG, temperatura poluvodičke strukture tiristora, primijenjeni napon i struja opterećenja.U krugu koji sadrži tiristor ne bi smjele postojati neprihvatljive vrijednosti brzine porasta prednjeg napona duAC / dt, gdje može doći do spontane aktivacije tiristora u nedostatku upravljačkog signala iG i brzine porast od struje diA / dt. Istodobno, nagib upravljačkog signala mora biti visok.

Među načinima isključivanja tiristora, uobičajeno je razlikovati prirodno isključivanje (ili prirodno prebacivanje) i prisilno (ili umjetno prebacivanje). Prirodna komutacija se događa kada tiristori rade u izmjeničnim krugovima u trenutku kada struja padne na nulu.

Metode prisilnog prebacivanja vrlo su raznolike.Najtipičnije od njih su sljedeće: povezivanje prethodno nabijenog kondenzatora C s prekidačem S (slika 3, a); spajanje LC kruga s prethodno nabijenim kondenzatorom CK (slika 3 b); korištenje oscilatorne prirode prijelaznog procesa u krugu opterećenja (slika 3, c).

Riža. 3. Metode za umjetno preklapanje tiristora: a) — pomoću nabijenog kondenzatora C; b) — pomoću oscilatornog pražnjenja LC kruga; c) — zbog fluktuirajuće prirode opterećenja

Prilikom prebacivanja prema dijagramu na sl. 3 i spajanje sklopnog kondenzatora obrnutog polariteta, na primjer na drugi pomoćni tiristor, uzrokovat će njegovo pražnjenje na vodljivom glavnom tiristoru. Budući da je struja pražnjenja kondenzatora usmjerena protiv prednje struje tiristora, potonji se smanjuje na nulu i tiristor se isključuje.

U dijagramu na sl. 3, b, veza LC kruga uzrokuje oscilirajuće pražnjenje sklopnog kondenzatora CK.U ovom slučaju, na početku, struja pražnjenja teče kroz tiristor suprotno od njegove prednje struje, kada se izjednače, tiristor se isključuje. Osim toga, struja LC-kruga prolazi od tiristora VS do diode VD. Dok struja petlje teče kroz diodu VD, na tiristor VS će se primijeniti reverzni napon jednak padu napona na otvorenoj diodi.

U dijagramu na sl. 3, spajanje tiristora VS na složeno RLC opterećenje uzrokovat će prijelaznu pojavu. S određenim parametrima opterećenja, ovaj proces može imati oscilatorni karakter s promjenom polariteta struje opterećenja. U tom slučaju, nakon isključivanja tiristora VS, uključuje se dioda VD, koja počinje provoditi struju od suprotni polaritet. Ponekad se ova metoda prebacivanja naziva kvaziprirodnom jer uključuje promjenu polariteta struje opterećenja.

AC tiristor

Kada je tiristor spojen na izmjenični krug, moguće su sljedeće operacije:

• uključivanje i isključivanje električnog kruga s aktivnim i aktivno-reaktivnim opterećenjem;

• promjena prosječnih i efektivnih trenutnih vrijednosti kroz opterećenje zbog činjenice da je moguće prilagoditi vrijeme upravljačkog signala.

Budući da je tiristorska sklopka sposobna provoditi električnu struju samo u jednom smjeru, tada se za korištenje tiristora izmjenične struje koristi njihova paralelna veza (slika 4, a).

Riža. 4. Antiparalelni spoj tiristora (a) i oblik struje s aktivnim opterećenjem (b)

Prosječno i efektivna struja variraju zbog promjene vremena u kojem se signali otvaranja primjenjuju na tiristore VS1 i VS2, tj. promjenom kuta i (slika 4, b).Vrijednosti ovog kuta za tiristore VS1 i VS2 tijekom regulacije istovremeno se mijenjaju od strane upravljačkog sustava. Kut se naziva kontrolnim kutom ili kutom paljenja tiristora.

U energetskim elektroničkim uređajima najviše se koriste fazna (slika 4, a, b) i tiristorska regulacija s širinom impulsa (slika 4, c).

Riža. 5. Vrsta napona opterećenja kod: a) — fazne regulacije tiristora; b) — fazno upravljanje tiristora s prisilnom komutacijom; c) — tiristorsko upravljanje širinom impulsa

S faznom metodom upravljanja tiristorom s prisilnom komutacijom, regulacija struje opterećenja moguća je i promjenom kuta ? i kuta ?... Umjetno prebacivanje se provodi pomoću posebnih čvorova ili pomoću potpuno kontroliranih (zaključavajućih) tiristora.

S kontrolom širine impulsa (modulacija širine impulsa - PWM) tijekom Totkr, upravljački signal se primjenjuje na tiristore, oni su otvoreni i napon Un se primjenjuje na opterećenje. Tijekom vremena Tacr nema upravljačkog signala i tiristori su u nevodljivom stanju. Efektivna vrijednost struje u opterećenju

gdje je In.m. — struja opterećenja pri Tcl = 0.

Strujna krivulja u opterećenju s faznom regulacijom tiristora je nesinusna, što uzrokuje izobličenje oblika napona napojne mreže i poremećaje u radu potrošača osjetljivih na visokofrekventne smetnje – javlja se tzv. Elektromagnetska nekompatibilnost.

Tiristori za zaključavanje

Tiristori su najjače elektroničke sklopke koje se koriste za preklapanje strujnih krugova visokog napona, velike struje (jake struje).Međutim, oni imaju značajan nedostatak - nepotpunu upravljivost, koja se očituje u činjenici da je za njihovo isključivanje potrebno stvoriti uvjete za smanjenje prednje struje na nulu. To u mnogim slučajevima ograničava i komplicira upotrebu tiristora.

Da bi se uklonio ovaj nedostatak, razvijeni su tiristori koji se zaključavaju signalom s upravljačke elektrode G. Takvi se tiristori nazivaju gate-off tiristori (GTO) ili dualni rad.

Tiristori za zaključavanje (ZT) imaju četveroslojnu p-p-p-p strukturu, ali istodobno imaju niz značajnih značajki dizajna koje im daju potpuno drugačije od tradicionalnih tiristora - svojstvo potpune upravljivosti. Statička I-V karakteristika tiristora za isključivanje u smjeru prema naprijed identična je I-V karakteristici konvencionalnih tiristora. Međutim, zaključani tiristor obično ne može blokirati velike povratne napone i često je spojen na antiparalelnu diodu. Osim toga, zaključani tiristori karakteriziraju značajni padovi napona prema naprijed. Da biste isključili tiristor za zaključavanje, potrebno je primijeniti snažan impuls negativne struje (približno 1: 5 u odnosu na vrijednost konstantne struje isključivanja) u krug elektrode za zatvaranje, ali s kratkim trajanjem (10- 100 μs ).

Lock-in tiristori također imaju niže granične napone i struje (za oko 20-30%) nego konvencionalni tiristori.

Glavne vrste tiristora

Izuzev tiristora s zaključavanjem, razvijena je široka paleta tiristora različitih tipova, koji se razlikuju po brzini, regulacijskim procesima, smjeru struja u vodljivom stanju itd.Među njima treba istaknuti sljedeće vrste:

• tiristorska dioda, koja je ekvivalentna tiristoru s antiparalelno spojenom diodom (slika 6.12, a);

• diodni tiristor (dinistor), prebacivanje u vodljivo stanje kada se prekorači određena razina napona, primijenjena između A i C (slika 6, b);

• tiristor za zaključavanje (slika 6.12, c);

• simetrični tiristor ili triak, što je ekvivalentno dvama antiparalelno povezanim tiristorima (slika 6.12, d);

• tiristor invertera velike brzine (vrijeme isključenja 5-50 μs);

• tiristor polja, na primjer, na temelju kombinacije MOS tranzistora s tiristorom;

• optički tiristor upravljan svjetlosnim tokom.

Riža. 6. Uobičajeno grafičko označavanje tiristora: a) — tiristorska dioda; b) — diodni tiristor (dinistor); c) — tiristor za zaključavanje; d) — triak

Tiristorska zaštita

Tiristori su kritični uređaji za brzinu porasta prednje struje diA/dt i pada napona duAC/dt. Tiristori, poput dioda, karakterizirani su fenomenom povratne povratne struje, čiji nagli pad na nulu povećava mogućnost prenapona s visokom duAC / dt vrijednošću. Takvi prenaponi rezultat su iznenadnog prekida struje u induktivnim elementima kruga, uključujući male induktivnosti montaža. Stoga se za zaštitu tiristora obično koriste različite CFTCP sheme, koje u dinamičkim načinima rada pružaju zaštitu od neprihvatljivih vrijednosti diA / dt i duAC / dt.

U većini slučajeva, unutarnji induktivni otpor izvora napona uključenih u krug uključenog tiristora dovoljan je da se ne uvodi dodatni induktivitet LS.Stoga u praksi često postoji potreba za CFT-ovima koji smanjuju razinu i brzinu okidanja prenapona (slika 7).

Riža. 7. Tipični tiristorski zaštitni krug

Obično se u tu svrhu koriste RC krugovi spojeni paralelno s tiristorom. Postoje različite modifikacije krugova RC krugova i metode izračuna njihovih parametara za različite uvjete uporabe tiristora.

Za zaključane tiristore, krugovi se koriste za formiranje sklopnog puta, sličnog kruga CFTT tranzistorima.