Tiristors: principi de funcionament, disseny, tipus i mètodes d'inclusió

Principi de funcionament del tiristor

Un tiristor és un interruptor electrònic de potència, no totalment controlable. Per tant, de vegades a la literatura tècnica s'anomena tiristor d'una sola operació, que només es pot canviar a un estat conductor mitjançant un senyal de control, és a dir, es pot activar. Per apagar-lo (en funcionament en corrent continu), s'han de prendre mesures especials per garantir que el corrent continu baixi a zero.

Un interruptor de tiristor només pot conduir el corrent en una direcció, i en estat tancat és capaç de suportar tant la tensió directa com la inversa.

El tiristor té una estructura p-n-p-n de quatre capes amb tres cables: ànode (A), càtode (C) i porta (G), que es mostra a la Fig. 1

Arròs. 1. Tiristor convencional: a) — designació gràfica convencional; b) — característica volt-ampere.

A la fig. La figura 1b mostra una família de característiques estàtiques de sortida I — V a diferents valors del corrent de control iG. La tensió directa limitadora que pot suportar el tiristor sense encendre-lo té valors màxims a iG = 0.A mesura que augmenta el corrent, iG disminueix la tensió que pot suportar el tiristor. L'estat d'encesa del tiristor correspon a la branca II, l'estat apagat correspon a la branca I i el procés de commutació correspon a la branca III. El corrent de retenció o corrent de retenció és igual al corrent directe mínim admissible iA al qual el tiristor continua conduint. Aquest valor també correspon al valor mínim possible de la caiguda de tensió directa a través del tiristor.

La branca IV representa la dependència del corrent de fuga de la tensió inversa. Quan la tensió inversa supera el valor de UBO, comença un fort augment del corrent invers, associat a la fallada del tiristor. La naturalesa de l'avaria pot correspondre a un procés irreversible o a un procés d'avaria d'allau inherent al funcionament d'un díode zener semiconductor.

Els tiristors són els interruptors electrònics més potents, capaços de commutar circuits amb tensions de fins a 5 kV i corrents de fins a 5 kA a una freqüència no superior a 1 kHz.

El disseny dels tiristors es mostra a la fig. 2.

Arròs. 2. El disseny de les caixes de tiristors: a) — tauleta; b) — una agulla

tiristor de corrent continu

Un tiristor convencional s'activa aplicant un pols de corrent al circuit de control amb polaritat positiva respecte al càtode. La durada del transitori durant l'encesa es veu afectada significativament per la naturalesa de la càrrega (activa, inductiva, etc.), l'amplitud i la velocitat d'augment del pols de corrent de control iG, la temperatura de l'estructura semiconductora del tiristor, la tensió aplicada i el corrent de càrrega.En un circuit que conté un tiristor, no hi hauria d'haver valors inacceptables de la velocitat d'augment de la tensió directa duAC / dt, on es pot produir l'activació espontània del tiristor en absència del senyal de control iG i la velocitat de pujar des del corrent diA/dt. Al mateix temps, la pendent del senyal de control ha de ser alta.

Entre les maneres d'apagar els tiristors, s'acostuma a distingir entre apagada natural (o commutació natural) i forçada (o commutació artificial). La commutació natural es produeix quan els tiristors funcionen en circuits alterns en el moment en què el corrent baixa a zero.

Els mètodes de commutació forçada són molt diversos, els més típics són els següents: connectar un condensador C precarregat amb un interruptor S (figura 3, a); connectar un circuit LC amb un condensador CK precarregat (figura 3 b); l'ús de la naturalesa oscil·latòria del procés transitori al circuit de càrrega (figura 3, c).

Arròs. 3. Mètodes per a la commutació artificial de tiristors: a) — mitjançant un condensador C carregat; b) — mitjançant la descàrrega oscil·latòria del circuit LC; c) — a causa de la naturalesa fluctuant de la càrrega

Quan es canvia segons el diagrama de la fig. 3 i connectar un condensador de commutació de polaritat inversa, per exemple a un altre tiristor auxiliar, farà que es descarregui al tiristor principal conductor. Com que el corrent de descàrrega del condensador es dirigeix ​​contra el corrent directe del tiristor, aquest últim disminueix a zero i el tiristor s'apaga.

En el diagrama de la fig. 3, b, la connexió del circuit LC provoca una descàrrega oscil·lant del condensador de commutació CK.En aquest cas, al principi, el corrent de descàrrega flueix pel tiristor oposat al seu corrent directe, quan s'iguals, el tiristor s'apaga. A més, el corrent del circuit LC passa del tiristor VS al díode VD. A mesura que el corrent de bucle flueix pel díode VD, s'aplicarà una tensió inversa igual a la caiguda de tensió a través del díode obert al tiristor VS.

En el diagrama de la fig. 3, connectar un tiristor VS a una càrrega complexa RLC provocarà un transitori. Amb determinats paràmetres de la càrrega, aquest procés pot tenir un caràcter oscil·latori amb un canvi en la polaritat del corrent de càrrega. En aquest cas, després d'apagar el tiristor VS, s'encén el díode VD, que comença a conduir un corrent de polaritat oposada. De vegades, aquest mètode de commutació s'anomena quasi natural perquè implica un canvi en la polaritat del corrent de càrrega.

tiristor de CA

Quan el tiristor està connectat al circuit de CA, són possibles les operacions següents:

• encendre i apagar el circuit elèctric amb càrrega activa i activa-reactiva;

• canvi dels valors actuals mitjans i efectius a través de la càrrega a causa del fet que és possible ajustar el temps del senyal de control.

Com que l'interruptor del tiristor és capaç de conduir el corrent elèctric només en una direcció, per a l'ús de tiristors de corrent altern, s'utilitza la seva connexió en paral·lel (Fig. 4, a).

Arròs. 4. Connexió antiparal·lel dels tiristors (a) i la forma del corrent amb una càrrega activa (b)

Mitjana i corrent efectiu varien a causa d'un canvi en el moment en què s'apliquen els senyals d'obertura als tiristors VS1 i VS2, és a dir. canviant l'angle i (Fig. 4, b).Els valors d'aquest angle per als tiristors VS1 i VS2 durant la regulació són canviats simultàniament pel sistema de control. L'angle s'anomena angle de control o angle de tir del tiristor.

Els més utilitzats en dispositius electrònics de potència són el control de fase (Fig. 4, a, b) i el tiristor amb amplada de pols (Fig. 4, c).

Arròs. 5. Tipus de tensió de càrrega a: a) — control de fase del tiristor; b) — control de fase d'un tiristor amb commutació forçada; c) — Control de tiristor d'amplada de pols

Amb el mètode de control de tiristors amb commutació forçada, la regulació del corrent de càrrega és possible tant canviant l'angle ? com l'angle ?... La commutació artificial es realitza mitjançant nodes especials o utilitzant tiristors totalment controlats (bloqueig).

Amb el control d'amplada de pols (modulació d'amplada de pols - PWM) durant Totkr, s'aplica un senyal de control als tiristors, estan oberts i s'aplica la tensió Un a la càrrega. Durant el temps Tacr, el senyal de control està absent i els tiristors es troben en un estat no conductor. Valor RMS del corrent a la càrrega

on In.m. - corrent de càrrega a Tcl = 0.

La corba de corrent a la càrrega amb control de fase dels tiristors no és sinusoïdal, la qual cosa provoca una distorsió de la forma de la tensió de la xarxa de subministrament i pertorbacions en el treball dels consumidors sensibles a les pertorbacions d'alta freqüència - es produeix l'anomenat. Incompatibilitat electromagnètica.

Tiristors de bloqueig

Els tiristors són els interruptors electrònics més potents que s'utilitzen per canviar circuits d'alta tensió i corrent (alta corrent).No obstant això, tenen un inconvenient important: la controlabilitat incompleta, que es manifesta en el fet que per desactivar-los, cal crear condicions per reduir el corrent directe a zero. Això en molts casos limita i complica l'ús de tiristors.

Per eliminar aquest inconvenient, s'han desenvolupat tiristors que estan bloquejats per un senyal de l'elèctrode de control G. Aquests tiristors s'anomenen tiristors gate-off (GTO) o de doble operació.

Els tiristors de bloqueig (ZT) tenen una estructura p-p-p-p de quatre capes, però al mateix temps tenen una sèrie de característiques de disseny significatives que els donen un aspecte completament diferent dels tiristors tradicionals: la propietat d'una control total. La característica IV estàtica dels tiristors d'apagat en direcció cap endavant és idèntica a la característica IV dels tiristors convencionals. Tanmateix, el tiristor de bloqueig normalment no pot bloquejar grans tensions inverses i sovint està connectat a un díode antiparal·lel. A més, els tiristors de bloqueig es caracteritzen per importants caigudes de tensió directe. Per apagar el tiristor de bloqueig, cal aplicar un pols potent de corrent negatiu (aproximadament 1: 5 en relació amb el valor del corrent d'apagat constant) al circuit de l'elèctrode de tancament, però amb una durada curta (10- 100 μs).

Els tiristors de bloqueig també tenen tensions i corrents de tall més baixes (un 20-30%) que els tiristors convencionals.

Els principals tipus de tiristors

Amb l'excepció dels tiristors de bloqueig, s'ha desenvolupat una àmplia gamma de tiristors de diversos tipus, que es diferencien en velocitat, processos de control, direcció dels corrents en estat conductor, etc.Entre ells, cal destacar els següents tipus:

• díode tiristor, que equival a un tiristor amb un díode connectat antiparal·lel (fig. 6.12, a);

• tiristor de díode (dinistor), que passa a un estat conductor quan es supera un determinat nivell de tensió, aplicat entre A i C (Fig. 6, b);

• tiristor de bloqueig (fig. 6.12, c);

• tiristor simètric o triac, que equival a dos tiristors connectats en antiparal·lel (fig. 6.12, d);

• tiristor inversor d'alta velocitat (temps d'apagada 5-50 μs);

• tiristor de camp, per exemple, basat en una combinació d'un transistor MOS amb un tiristor;

• tiristor òptic controlat pel flux de llum.

Arròs. 6. Designació gràfica convencional dels tiristors: a) — díode tiristor; b) — tiristor de díode (dinistor); c) — tiristor de bloqueig; d) — triac

Protecció del tiristor

Els tiristors són dispositius crítics per a la velocitat d'augment del corrent directe diA/dt i la caiguda de tensió duAC/dt. Els tiristors, com els díodes, es caracteritzen pel fenomen del corrent de recuperació inversa, la forta caiguda del qual a zero agreuja la possibilitat de sobretensions amb un alt valor duAC/dt. Aquestes sobretensions són el resultat d'una interrupció sobtada del corrent en els elements inductius del circuit, incloent petites inductàncies instal·lació. Per tant, solen utilitzar-se diversos esquemes CFTCP per protegir els tiristors, que en modes dinàmics proporcionen protecció contra valors inacceptables de diA / dt i duAC / dt.

En la majoria dels casos, la resistència inductiva interna de les fonts de tensió incloses en el circuit del tiristor inclòs és suficient perquè no s'introdueixi cap inductància addicional LS.Per tant, a la pràctica, sovint hi ha una necessitat de CFT que redueixin el nivell i la velocitat de les sobretensió d'engegada (Fig. 7).

Arròs. 7. Circuit de protecció de tiristors típic

Normalment s'utilitzen circuits RC connectats en paral·lel amb el tiristor per a aquest propòsit. Hi ha diverses modificacions de circuits de circuits RC i mètodes de càlcul dels seus paràmetres per a diferents condicions d'ús dels tiristors.

Per als tiristors de bloqueig, els circuits s'utilitzen per formar un camí de commutació, similar en circuit als transistors CFTT.