Tyristorer: funktionsprincip, design, typer och metoder för inkludering

Principen för driften av tyristorn

En tyristor är en kraftelektronik, inte helt styrbar strömbrytare. Därför kallas det ibland i den tekniska litteraturen en enoperationstyristor, som endast kan kopplas om till ett ledande tillstånd genom en styrsignal, det vill säga den kan slås på. För att stänga av den (vid likströmsdrift) måste särskilda åtgärder vidtas för att säkerställa att likströmmen sjunker till noll.

En tyristoromkopplare kan bara leda ström i en riktning, och i stängt tillstånd kan den motstå både framåt- och bakåtspänning.

Tyristorn har en fyrskiktig p-n-p-n-struktur med tre ledningar: anod (A), katod (C) och grind (G), som visas i fig. 1

Ris. 1. Konventionell tyristor: a) — Konventionell grafisk beteckning. b) — volt-ampere karakteristik.

I fig. 1b visar en familj av utgångsstatiska I - V-karakteristika vid olika värden på styrströmmen iG. Den begränsande framspänningen som tyristorn kan motstå utan att slå på den har maximala värden vid iG = 0.När strömmen ökar minskar iG spänningen som tyristorn tål. Tyristorns tillstånd motsvarar gren II, från-tillståndet motsvarar gren I och omkopplingsprocessen motsvarar gren III. Hållströmmen eller hållströmmen är lika med den minsta tillåtna framåtströmmen iA vid vilken tyristorn förblir ledande. Detta värde motsvarar också det minsta möjliga värdet på framåtspänningsfallet över på-tyristorn.

Gren IV representerar läckströmmens beroende av backspänningen. När den omvända spänningen överstiger värdet på UBO, börjar en kraftig ökning av den omvända strömmen, associerad med fel på tyristorn. Karaktären av nedbrytningen kan motsvara en irreversibel process eller en lavinbrytningsprocess som är inneboende i driften av en halvledarzenerdiod.

Tyristorer är de mest kraftfulla elektroniska omkopplarna, som kan byta kretsar med spänningar upp till 5 kV och strömmar upp till 5 kA vid en frekvens på högst 1 kHz.

Utformningen av tyristorer visas i fig. 2.

Ris. 2. Utformningen av tyristorlådor: a) — Tablett; b) — en stift

DC tyristor

En konventionell tyristor slås på genom att applicera en strömpuls till styrkretsen med positiv polaritet i förhållande till katoden. Varaktigheten av transienten under påslagning påverkas avsevärt av belastningens natur (aktiv, induktiv, etc.), amplituden och ökningshastigheten för styrströmpulsen iG, temperaturen på tyristorns halvledarstruktur, den pålagda spänningen och belastningsströmmen.I en krets som innehåller en tyristor bör det inte finnas några oacceptabla värden för ökningshastigheten för framspänningen duAC / dt, där spontan aktivering av tyristorn kan ske i frånvaro av styrsignalen iG och hastigheten på stiga från strömmen diA / dt. Samtidigt måste styrsignalens lutning vara hög.

Bland sätten att stänga av tyristorer är det vanligt att skilja mellan naturlig avstängning (eller naturlig omkoppling) och påtvingad (eller konstgjord omkoppling). Naturlig kommutering uppstår när tyristorer arbetar i alternerande kretsar i det ögonblick som strömmen sjunker till noll.

Metoderna för forcerad omkoppling är mycket olika.De mest typiska av dem är följande: anslutning av en förladdad kondensator C med en omkopplare S (Figur 3, a); anslutning av en LC-krets med en förladdad kondensator CK (Figur 3 b); användningen av den transienta processens oscillerande natur i belastningskretsen (Figur 3, c).

Ris. 3. Metoder för artificiell omkoppling av tyristorer: a) — med hjälp av laddad kondensator C; b) — genom oscillerande urladdning av LC-kretsen; c) — på grund av lastens fluktuerande karaktär

Vid omkoppling enligt diagrammet i fig. 3 och anslutning av en omkopplingskondensator med omvänd polaritet, till exempel till en annan hjälptyristor, kommer att få den att laddas ur till den ledande huvudtyristorn. Eftersom kondensatorns urladdningsström är riktad mot tyristorns framåtström, minskar den senare till noll och tyristorn stängs av.

I diagrammet i fig. 3, b, orsakar anslutningen av LC-kretsen en oscillerande urladdning av omkopplingskondensatorn CK.I det här fallet, i början, flyter urladdningsströmmen genom tyristorn motsatt dess framåtström, när de blir lika stängs tyristorn av. Dessutom passerar LC-kretsens ström från tyristorn VS till dioden VD. När slingströmmen flyter genom dioden VD kommer en omvänd spänning lika med spänningsfallet över den öppna dioden att appliceras på tyristorn VS.

I diagrammet i fig. 3 kommer anslutning av en tyristor VS till en komplex RLC-belastning att orsaka en transient. Med vissa parametrar för belastningen kan denna process ha en oscillerande karaktär med en förändring i polariteten hos belastningsströmmen i. I detta fall, efter att ha stängt av tyristorn VS, slås dioden VD på, som börjar leda en ström på motsatt polaritet. Ibland kallas denna metod för omkoppling kvasi-naturlig eftersom den innebär en förändring av belastningsströmmens polaritet.

AC tyristor

När tyristorn är ansluten till AC-kretsen är följande operationer möjliga:

• slå på och stänga av den elektriska kretsen med aktiv och aktiv-reaktiv belastning;

• förändring i genomsnittliga och effektiva strömvärden genom belastningen på grund av att det är möjligt att justera tidpunkten för styrsignalen.

Eftersom tyristoromkopplaren kan leda elektrisk ström i endast en riktning, används deras parallellkoppling för användning av växelströmstyristorer (fig. 4, a).

Ris. 4. Antiparallell anslutning av tyristorer (a) och strömformen med aktiv belastning (b)

Genomsnittlig och effektiv ström variera på grund av en ändring i tidpunkten vid vilken öppningssignaler appliceras på tyristorerna VS1 och VS2, dvs. genom att ändra vinkeln och (Fig. 4, b).Värdena för denna vinkel för tyristor VS1 och VS2 under reglering ändras samtidigt av styrsystemet. Vinkeln kallas tyristorns kontrollvinkel eller avfyrningsvinkel.

De mest använda i kraftelektroniska enheter är fas (fig. 4, a, b) och tyristorstyrning med pulsbredd (fig. 4, c).

Ris. 5. Typ av belastningsspänning vid: a) — fasstyrning av tyristorn; b) — fasstyrning av en tyristor med forcerad kommutering; c) — pulsbreddstyrning av tyristor

Med fasmetoden för tyristorstyrning med forcerad kommutering är reglering av belastningsströmmen möjlig både genom att ändra vinkeln ? och vinkeln ?... Konstgjord omkoppling utförs med hjälp av speciella noder eller med helt kontrollerade (låsande) tyristorer.

Med pulsbreddsstyrning (pulsbreddsmodulering — PWM) under Totkr appliceras en styrsignal till tyristorerna, de är öppna och spänningen Un appliceras på lasten. Under Tacr-tiden är styrsignalen frånvarande och tyristorerna är i ett icke-ledande tillstånd. RMS-värde för strömmen i lasten

där In.m. — belastningsström vid Tcl = 0.

Strömkurvan i lasten med fasstyrning av tyristorerna är icke-sinusformad, vilket orsakar förvrängning av formen på spänningen i försörjningsnätet och störningar i arbetet hos konsumenter som är känsliga för högfrekventa störningar - den så kallade uppstår. Elektromagnetisk inkompatibilitet.

Låsande tyristorer

Tyristorer är de mest kraftfulla elektroniska omkopplarna som används för att koppla om högspänningskretsar med hög ström (högström).Men de har en betydande nackdel - ofullständig styrbarhet, vilket manifesteras i det faktum att för att stänga av dem är det nödvändigt att skapa förutsättningar för att reducera framåtströmmen till noll. Detta begränsar och komplicerar i många fall användningen av tyristorer.

För att eliminera denna nackdel har tyristorer utvecklats som låses av en signal från styrelektroden G. Sådana tyristorer kallas gate-off tyristor (GTO) eller dubbeloperation.

Låsande tyristorer (ZT) har en p-p-p-p-struktur i fyra lager, men har samtidigt ett antal betydande designegenskaper som ger dem en helt annan än traditionella tyristorer - egenskapen för full styrbarhet. Den statiska I-V-karakteristiken för avstängda tyristorer i framåtriktningen är identisk med I-V-karakteristiken för konventionella tyristorer. Den inlåsta tyristorn kan dock vanligtvis inte blockera stora backspänningar och är ofta ansluten till en antiparallell diod. Dessutom kännetecknas inlåsta tyristorer av betydande framåtspänningsfall. För att stänga av låstyristorn är det nödvändigt att applicera en kraftig puls med negativ ström (ungefär 1: 5 i förhållande till värdet på den konstanta avstängda strömmen) till kretsen för stängningselektroden, men med en kort varaktighet (10- 100 μs).

Lock-in tyristorer har också lägre brytspänningar och strömmar (med cirka 20-30%) än konventionella tyristorer.

De viktigaste typerna av tyristorer

Med undantag för inlåsta tyristorer har ett brett utbud av tyristorer av olika slag utvecklats, som skiljer sig åt i hastighet, styrprocesser, strömriktningar i ledande tillstånd etc.Bland dem bör följande typer noteras:

• tyristordiod, vilket motsvarar en tyristor med en antiparallell ansluten diod (Fig. 6.12, a);

• diodtyristor (dynistor), omkoppling till ett ledande tillstånd när en viss spänningsnivå överskrids, applicerad mellan A och C (fig. 6, b);

• låsande tyristor (Fig. 6.12, c);

• symmetrisk tyristor eller triac, vilket motsvarar två antiparallellt anslutna tyristorer (fig. 6.12, d);

• höghastighets invertertyristor (avtid 5-50 μs);

• fälttyristor, till exempel, baserad på en kombination av en MOS-transistor med en tyristor;

• optisk tyristor styrd av ljusflöde.

Ris. 6. Konventionell grafisk beteckning för tyristorer: a) — tyristordiod; b) — diodtyristor (dynistor); c) — låsande tyristor; d) — triac

Tyristorskydd

Tyristorer är kritiska enheter för ökningshastigheten för framåtströmmen diA / dt och spänningsfallet duAC / dt. Tyristorer, som dioder, kännetecknas av fenomenet omvänd återvinningsström, vars kraftiga fall till noll förvärrar möjligheten för överspänningar med ett högt duAC / dt-värde. Sådana överspänningar är resultatet av ett plötsligt avbrott av strömmen i kretsens induktiva element, inklusive små induktanser installation. Därför används vanligtvis olika CFTCP-scheman för att skydda tyristorer, som i dynamiska lägen ger skydd mot oacceptabla värden på diA / dt och duAC / dt.

I de flesta fall är den interna induktiva resistansen hos spänningskällorna som ingår i kretsen för den medföljande tyristorn tillräcklig så att ingen ytterligare induktans LS införs.Därför finns det i praktiken ofta ett behov av CFT:er som minskar nivån och hastigheten på utlösningsstötarna (Fig. 7).

Ris. 7. Typisk tyristorskyddskrets

RC-kretsar kopplade parallellt med tyristorn används vanligtvis för detta ändamål. Det finns olika kretsmodifieringar av RC-kretsar och metoder för att beräkna deras parametrar för olika användningsförhållanden för tyristorer.

För inlåsta tyristorer används kretsar för att bilda en omkopplingsväg, liknande krets som CFTT-transistorer.