Тиристори: принцип на действие, дизайн, видове и методи на включване

Принципът на действие на тиристора

Тиристор е силов електронен, не напълно контролируем ключ. Следователно, понякога в техническата литература той се нарича тиристор с една операция, който може да бъде превключен в проводимо състояние само чрез управляващ сигнал, т.е.може да бъде включен. За да го изключите (при работа на постоянен ток), трябва да се вземат специални мерки, за да се гарантира, че постоянният ток спадне до нула.

Тиристорният превключвател може да провежда ток само в една посока, а в затворено състояние е в състояние да издържи както напрежение, така и напред.

Тиристорът има четирислойна p-n-p-n-структура с три проводника: анод (A), катод (C) и порта (G), който е показан на фиг. 1

Ориз. 1. Конвенционален тиристор: а) — конвенционално графично обозначение; б) — волт -амперна характеристика.

На фиг. 1б показва фамилия изходни статични I — V характеристики при различни стойности на управляващия ток iG. Ограничаващото напрежение напред, което тиристорът може да издържи, без да го включва, има максимални стойности при iG = 0. С увеличаването на тока iG намалява напрежението, което тиристорът може да издържи. Включеното състояние на тиристора съответства на клон II, изключеното състояние съответства на клон I, а процесът на превключване съответства на клон III. Задържащият ток или задържащият ток е равен на минимално допустимия напред ток iA, при който тиристорът остава проводящ. Тази стойност също съответства на минималната възможна стойност на спада на напрежението напред върху включения тиристор.

Клон IV представлява зависимостта на тока на утечка от обратното напрежение. Когато обратното напрежение надвиши стойността на UBO, започва рязко увеличаване на обратния ток, свързано с повредата на тиристора. Характерът на разбивката може да съответства на необратим процес или процес на лавинен пробив, присъщ на работата на полупроводников ценеров диод.

Тиристорите са най -мощните електронни ключове, способни да превключват вериги с напрежение до 5 kV и токове до 5 kA при честота не повече от 1 kHz.

Дизайнът на тиристорите е показан на фиг. 2.

Ориз. 2. Проектирането на тиристорни кутии: а) — таблет; б) — щифт

DC тиристор

Конвенционален тиристор се включва чрез прилагане на токов импулс към управляващата верига с положителна полярност спрямо катода. Продължителността на преходния процес по време на включване е значително повлияна от естеството на натоварването (активно, индуктивно и т.н.), амплитудата и скоростта на нарастване на управляващия токов импулс iG, температурата на полупроводниковата структура на тиристора, приложеното напрежение и ток на натоварване. Във верига, съдържаща тиристор, не трябва да има недопустими стойности на скоростта на нарастване на предното напрежение duAC / dt, при което може да възникне спонтанно активиране на тиристора при липса на управляващия сигнал iG и скоростта на покачване от текущия diA / dt. В същото време наклонът на управляващия сигнал трябва да бъде висок.

Сред начините за изключване на тиристорите е обичайно да се прави разлика между естествено изключване (или естествено превключване) и принудително (или изкуствено превключване). Естествената комутация възниква, когато тиристорите работят в променливи вериги в момента, в който токът падне до нула.

Методите за принудително превключване са много разнообразни.Най-типичните от тях са следните: свързване на предварително зареден кондензатор С с ключ S (Фигура 3, а); свързване на LC верига с предварително зареден кондензатор CK (Фигура 3 b); използването на колебателния характер на преходния процес в натоварващата верига (Фигура 3, в).

Ориз. 3. Методи за изкуствена комутация на тиристори: а) — посредством зареден кондензатор С; б) — посредством колебателен разряд на LC -веригата; в) — поради колебателния характер на товара

При превключване съгласно схемата на фиг. 3 и свързването на превключващ кондензатор с обратна полярност, например с друг спомагателен тиристор, ще доведе до неговото разреждане към проводящия основен тиристор. Тъй като разрядният ток на кондензатора е насочен срещу предния ток на тиристора, последният намалява до нула и тиристорът се изключва.

В диаграмата на фиг. 3, b, свързването на LC веригата причинява колебателен разряд на превключващия кондензатор CK. В този случай в началото разрядният ток протича през тиристора, противоположен на предния му ток, когато станат равни, тиристорът се изключва. Освен това токът на LC-веригата преминава от тиристора VS към диода VD. Докато токът на контура тече през диода VD, към тиристора VS ще бъде приложено обратно напрежение, равно на спада на напрежението в отворения диод.

В диаграмата на фиг. 3, включването на тиристор VS към сложен RLC товар ще предизвика преходен процес. При определени параметри на товара този процес може да има колебателен характер с промяна в полярността на тока на натоварване в. В този случай, след изключване на тиристора VS, диодът VD се включва, който започва да провежда ток с противоположна полярност. Понякога този метод на превключване се нарича квази-естествен, тъй като е свързан с промяна в полярността на тока на натоварване.

AC тиристор

Когато тиристорът е свързан към променливотоковата верига, са възможни следните операции:

• включване и изключване на електрическата верига с активен и активно-реактивен товар;

• промяна в средните и ефективни стойности на тока чрез натоварването поради факта, че е възможно да се регулира времето на управляващия сигнал.

Тъй като тиристорният превключвател е способен да провежда електрически ток само в една посока, тогава за използването на тиристори с променлив ток се използва тяхната паралелна връзка (фиг. 4, а).

Ориз. 4. Противопаралелно свързване на тиристори (а) и формата на тока с активен товар (б)

Средно и ефективен ток варират поради промяна в момента, в който се подават отварящи сигнали към тиристорите VS1 и VS2, т.е. чрез промяна на ъгъла и (фиг. 4, б). Стойностите на този ъгъл за тиристорите VS1 и VS2 по време на регулиране се променят едновременно от системата за управление. Ъгълът се нарича управляващ ъгъл или ъгъл на стрелба на тиристора.

Най -широко използваните в силовите електронни устройства са фаза (Фиг. 4, а, б) и тиристорно управление с ширина на импулса (Фиг. 4, в).

Ориз. 5. Вид напрежение на товара при: а) — фазово управление на тиристора; б) — фазово управление на тиристор с принудителна комутация; в) — тиристорно управление с ширина на импулса

С фазовия метод на тиристорно управление с принудителна комутация регулирането на тока на натоварване е възможно както чрез промяна на ъгъла ?и ъгъл ?… Изкуственото превключване се извършва с помощта на специални възли или с помощта на напълно контролирани (заключващи се) тиристори.

С контрол на ширината на импулса (широтно -импулсна модулация — ШИМ) по време на Totkr, към тиристорите се подава управляващ сигнал, те са отворени и напрежението Un се прилага към товара. През времето Tacr управляващият сигнал отсъства и тиристорите са в непроводимо състояние. RMS стойност на тока в товара

където In.m. — ток на натоварване при Tcl = 0.

Кривата на тока в товара с фазово управление на тиристорите е несинусоидална, което причинява изкривяване на формата на напрежението на захранващата мрежа и смущения в работата на потребителите, чувствителни към високочестотни смущения-възниква т. Нар. Електромагнитна несъвместимост.

Заключващи се тиристори

Тиристорите са най -мощните електронни ключове, използвани за превключване на вериги с високо напрежение и висок ток (силен ток). Те обаче имат значителен недостатък — непълна управляемост, която се проявява във факта, че за да ги изключите, е необходимо да се създадат условия за намаляване на тока напред до нула. Това в много случаи ограничава и усложнява използването на тиристори.

За да се премахне този недостатък, са разработени тиристори, които се заключват чрез сигнал от управляващия електрод G. Такива тиристори се наричат ​​тиристори за изключване на порта (GTO) или двуоперационни.

Заключващи се тиристори (ZT) имат четирислойна p-p-p-p структура, но в същото време имат редица значими конструктивни характеристики, които им придават коренно различен от традиционните тиристори-свойството на пълна управляемост. Статичната I-V характеристика на изключващите се тиристори в посока напред е идентична с I-V характеристиката на конвенционалните тиристори. Заключващият се тиристор обаче обикновено не е в състояние да блокира големи обратни напрежения и често е свързан към антипаралелен диод. В допълнение, заключващите се тиристори се характеризират със значителни спадове на напрежението напред. За да изключите заключващия се тиристор, е необходимо да приложите мощен импулс на отрицателен ток (приблизително 1: 5 по отношение на стойността на постоянния изключен ток) към веригата на затворния електрод, но с кратка продължителност (10-100 μs ).

Заключващите се тиристори също имат по-ниски гранични напрежения и токове (с около 20-30%) в сравнение с конвенционалните тиристори.

Основните видове тиристори

С изключение на заключващите се тиристори е разработена широка гама от тиристори от различни типове, различаващи се по скорост, процеси на управление, посока на токовете в проводимо състояние и т.н. Сред тях трябва да се отбележат следните видове:

• тиристорен диод, което е еквивалентно на тиристор с антипаралелно свързан диод (фиг. 6.12, а);

• диоден тиристор (динистор), преминаване в проводящо състояние при превишаване на определено ниво на напрежение, приложено между А и С (фиг. 6, б);

• заключващ се тиристор (Фиг. 6.12, в);

• симетричен тиристор или триак, което е еквивалентно на два антипаралелно свързани тиристора (фиг. 6.12, г);

• високоскоростен инверторен тиристор (време на изключване 5-50 μs);

• полеви тиристор, например, на базата на комбинация от MOS транзистор с тиристор;

• оптичен тиристор, управляван от светлинен поток.

Ориз. 6. Конвенционално графично обозначение на тиристори: а) — тиристорен диод; б) — диоден тиристор (динистор); в) — заключващ се тиристор; г) — триак

Тиристорна защита

Тиристорите са устройства, критични за скоростта на нарастване на предния ток diA / dt и напрежението на напрежението duAC / dt. Тиристорите, подобно на диодите, се характеризират с явлението обратен ток на възстановяване, чийто рязък спад до нула утежнява възможността за пренапрежения с висока стойност duAC / dt. Такива пренапрежения са резултат от рязко спиране на тока в индуктивните елементи на веригата, включително малки индуктивности инсталация. Следователно за защита на тиристорите обикновено се използват различни схеми CFTCP, които в динамични режими осигуряват защита срещу неприемливи стойности на diA / dt и duAC / dt.

В повечето случаи вътрешното индуктивно съпротивление на източниците на напрежение, включени във веригата на включения тиристор, е достатъчно, за да не се въведе допълнителна индуктивност LS. Следователно на практика често има нужда от CFT, които намаляват нивото и скоростта на пренапреженията при изключване (фиг. 7).

Ориз. 7. Типична тиристорна защитна верига

За тази цел обикновено се използват RC вериги, свързани паралелно с тиристора. Съществуват различни модификации на вериги на RC вериги и методи за изчисляване на техните параметри за различни условия на използване на тиристори.

За заключващи се тиристори се използват схеми за формиране на комутационна траектория, подобни по схеми на CFTT транзистори.