Thyristor: prinsip operasi, reka bentuk, jenis dan kaedah kemasukan

Prinsip operasi thyristor

Thyristor ialah suis elektronik kuasa, tidak boleh dikawal sepenuhnya. Oleh itu, kadangkala dalam kesusasteraan teknikal ia dipanggil thyristor operasi tunggal, yang boleh ditukar kepada keadaan pengalir hanya dengan isyarat kawalan, iaitu ia boleh dihidupkan. Untuk mematikannya (dalam operasi arus terus), langkah khas mesti diambil untuk memastikan arus terus turun kepada sifar.

Suis thyristor hanya boleh mengalirkan arus dalam satu arah, dan dalam keadaan tertutup ia mampu menahan kedua-dua voltan hadapan dan belakang.

Thyristor mempunyai struktur p-n-p-n empat lapisan dengan tiga petunjuk: Anod (A), Katod (C) dan Gate (G), yang ditunjukkan dalam Rajah. 1

nasi. 1. Thyristor konvensional: a) — penunjuk grafik konvensional; b) - ciri volt-ampere.

Dalam rajah. 1b menunjukkan keluarga ciri I — V statik keluaran pada nilai yang berbeza bagi arus kawalan iG. Voltan ke hadapan mengehadkan yang boleh ditahan oleh thyristor tanpa menghidupkannya mempunyai nilai maksimum pada iG = 0.Apabila arus meningkat, iG mengurangkan voltan yang boleh ditahan oleh thyristor. Keadaan hidup thyristor sepadan dengan cawangan II, keadaan mati sepadan dengan cawangan I, dan proses pensuisan sepadan dengan cawangan III. Arus pegangan atau arus pegangan adalah sama dengan arus hadapan minimum yang dibenarkan iA di mana thyristor kekal mengalir. Nilai ini juga sepadan dengan nilai minimum kemungkinan penurunan voltan hadapan merentasi pada thyristor.

Cawangan IV mewakili pergantungan arus bocor pada voltan terbalik. Apabila voltan terbalik melebihi nilai UBO, peningkatan mendadak dalam arus terbalik bermula, dikaitkan dengan kegagalan thyristor. Sifat pecahan mungkin sepadan dengan proses tidak boleh balik atau proses pecahan salji yang wujud dalam pengendalian diod zener semikonduktor.

Thyristor ialah suis elektronik yang paling berkuasa, mampu menukar litar dengan voltan sehingga 5 kV dan arus sehingga 5 kA pada frekuensi tidak lebih daripada 1 kHz.

Reka bentuk thyristor ditunjukkan dalam rajah. 2.

nasi. 2. Reka bentuk kotak thyristor: a) — tablet; b) - pin

DC thyristor

Tiristor konvensional dihidupkan dengan menggunakan nadi semasa pada litar kawalan dengan kekutuban positif berbanding katod. Tempoh sementara semasa menghidupkan secara ketara dipengaruhi oleh sifat beban (aktif, induktif, dsb.), amplitud dan kadar kenaikan nadi arus kawalan iG, suhu struktur semikonduktor thyristor, voltan dan arus beban yang dikenakan .Dalam litar yang mengandungi thyristor, seharusnya tiada nilai yang tidak boleh diterima bagi kadar kenaikan voltan hadapan duAC/dt, di mana pengaktifan spontan thyristor boleh berlaku tanpa ketiadaan isyarat kawalan iG dan kadar naik daripada diA / dt semasa. Pada masa yang sama, cerun isyarat kawalan mestilah tinggi.

Antara cara untuk mematikan thyristor, adalah kebiasaan untuk membezakan antara pemadaman semula jadi (atau pensuisan semula jadi) dan terpaksa (atau pensuisan buatan). Pertukaran semula jadi berlaku apabila thyristor beroperasi dalam litar berselang-seli pada saat arus menurun kepada sifar.

Kaedah pensuisan paksa adalah sangat pelbagai. Yang paling tipikal daripada mereka adalah yang berikut: menyambungkan kapasitor pra-cas C dengan suis S (Rajah 3, a); menyambungkan litar LC dengan kapasitor pra-cas CK (Rajah 3 b); penggunaan sifat berayun proses sementara dalam litar beban (Rajah 3, c).

nasi. 3. Kaedah untuk pensuisan tiruan thyristor: a) — melalui kapasitor bercas C; b) — dengan cara nyahcas berayun litar LC; c) — disebabkan oleh sifat turun naik beban

Apabila menukar mengikut rajah dalam rajah. 3 dan menyambungkan kapasitor pensuisan kekutuban songsang, contohnya kepada thyristor tambahan yang lain, akan menyebabkannya menyahcas ke thyristor utama yang mengalirkan. Oleh kerana arus nyahcas kapasitor diarahkan melawan arus hadapan thyristor, yang kedua berkurangan kepada sifar dan thyristor dimatikan.

Dalam rajah rajah. 3, b, sambungan litar LC menyebabkan nyahcas berayun CK kapasitor pensuisan.Dalam kes ini, pada mulanya, arus nyahcas mengalir melalui thyristor bertentangan dengan arus hadapannya, apabila ia menjadi sama, thyristor dimatikan. Di samping itu, arus litar LC mengalir dari thyristor VS ke diod VD. Apabila arus gelung mengalir melalui diod VD, voltan terbalik yang sama dengan penurunan voltan merentasi diod terbuka akan digunakan pada thyristor VS.

Dalam rajah rajah. 3, menyambungkan thyristor VS ke beban RLC kompleks akan menyebabkan sementara. Dengan parameter beban tertentu, proses ini boleh mempunyai watak berayun dengan perubahan dalam kekutuban arus beban masuk. Dalam kes ini, selepas mematikan thyristor VS, diod VD dihidupkan, yang mula mengalirkan arus sebanyak kekutuban bertentangan. Kadangkala kaedah pensuisan ini dipanggil separa semulajadi kerana ia melibatkan perubahan kekutuban arus beban.

thyristor AC

Apabila thyristor disambungkan ke litar AC, operasi berikut adalah mungkin:

• menghidupkan dan mematikan litar elektrik dengan beban aktif dan aktif-reaktif;

• perubahan dalam purata dan nilai semasa berkesan melalui beban disebabkan oleh fakta bahawa adalah mungkin untuk menyesuaikan masa isyarat kawalan.

Oleh kerana suis thyristor mampu mengalirkan arus elektrik hanya dalam satu arah, maka untuk penggunaan thyristor arus ulang alik, sambungan selarinya digunakan (Rajah 4, a).

nasi. 4. Sambungan anti-selari thyristor (a) dan bentuk arus dengan beban aktif (b)

Purata dan arus berkesan berbeza-beza disebabkan oleh perubahan dalam masa di mana isyarat pembukaan digunakan pada thyristor VS1 dan VS2, i.e. dengan menukar sudut dan (Rajah 4, b).Nilai sudut ini untuk thyristor VS1 dan VS2 semasa peraturan diubah secara serentak oleh sistem kawalan. Sudut itu dipanggil sudut kawalan atau sudut tembakan thyristor.

Yang paling banyak digunakan dalam peranti elektronik kuasa ialah fasa (Rajah 4, a, b) dan kawalan thyristor dengan lebar nadi (Rajah 4, c).

nasi. 5. Jenis voltan beban pada: a) — kawalan fasa thyristor; b) — kawalan fasa thyristor dengan penukaran paksa; c) — kawalan thyristor lebar nadi

Dengan kaedah fasa kawalan thyristor dengan pertukaran paksa, pengawalan arus beban adalah mungkin dengan menukar sudut ? dan sudut ?... Pensuisan buatan dilakukan menggunakan nod khas atau menggunakan thyristor (mengunci) dikawal sepenuhnya.

Dengan kawalan lebar denyut (modulasi lebar denyut — PWM) semasa Totkr, isyarat kawalan digunakan pada thyristor, ia terbuka dan voltan Un dikenakan pada beban. Semasa waktu Tacr, isyarat kawalan tiada dan thyristor berada dalam keadaan tidak konduktif. Nilai RMS arus dalam beban

di mana In.m. — beban arus pada Tcl = 0.

Lengkung semasa dalam beban dengan kawalan fasa thyristor adalah bukan sinusoidal, yang menyebabkan herotan bentuk voltan rangkaian bekalan dan gangguan dalam kerja pengguna yang sensitif terhadap gangguan frekuensi tinggi - apa yang dipanggil berlaku. Ketidakserasian elektromagnet.

Mengunci thyristor

Thyristor ialah suis elektronik paling berkuasa yang digunakan untuk menukar litar voltan tinggi, arus tinggi (arus tinggi).Walau bagaimanapun, mereka mempunyai kelemahan yang ketara - kebolehkawalan yang tidak lengkap, yang ditunjukkan dalam fakta bahawa untuk mematikannya, adalah perlu untuk mewujudkan keadaan untuk mengurangkan arus hadapan kepada sifar. Ini dalam banyak kes mengehadkan dan merumitkan penggunaan thyristor.

Untuk menghapuskan kelemahan ini, thyristor telah dibangunkan yang dikunci oleh isyarat daripada elektrod kawalan G. Thyristor sedemikian dipanggil thyristor gate-off (GTO) atau dwi-operasi.

Pengunci thyristor (ZT) mempunyai struktur p-p-p-p empat lapisan, tetapi pada masa yang sama mempunyai beberapa ciri reka bentuk penting yang memberikannya sama sekali berbeza daripada thyristor tradisional - sifat kebolehkawalan penuh. Ciri I-V statik thyristor matikan ke arah hadapan adalah sama dengan ciri I-V thyristor konvensional. Walau bagaimanapun, thyristor lock-in biasanya tidak dapat menyekat voltan terbalik yang besar dan sering disambungkan kepada diod anti-selari. Di samping itu, thyristor terkunci dicirikan oleh penurunan voltan hadapan yang ketara. Untuk mematikan thyristor pengunci, adalah perlu untuk menggunakan nadi kuat arus negatif (kira-kira 1: 5 berhubung dengan nilai arus off malar) ke litar elektrod penutup, tetapi dengan tempoh yang singkat (10- 100 μs).

Thyristor berkunci juga mempunyai voltan dan arus cutoff yang lebih rendah (kira-kira 20-30%) daripada thyristor konvensional.

Jenis utama thyristor

Kecuali thyristor terkunci, pelbagai jenis thyristor dari pelbagai jenis telah dibangunkan, berbeza dalam kelajuan, proses kawalan, arah arus dalam keadaan konduktor, dsb.Antaranya, jenis berikut harus diperhatikan:

• diod thyristor, yang bersamaan dengan thyristor dengan diod bersambung antiselari (Rajah 6.12, a);

• diod thyristor (dynistor), bertukar kepada keadaan konduktif apabila tahap voltan tertentu melebihi, digunakan antara A dan C (Rajah 6, b);

• mengunci thyristor (Rajah 6.12, c);

• thyristor simetri atau triac, yang bersamaan dengan dua thyristor bersambung antiselari (Rajah 6.12, d);

• thyristor penyongsang berkelajuan tinggi (masa mati 5-50 μs);

• thyristor medan, sebagai contoh, berdasarkan gabungan transistor MOS dengan thyristor;

• thyristor optik dikawal oleh fluks cahaya.

nasi. 6. Penamaan grafik konvensional thyristor: a) — diod thyristor; b) - thyristor diod (dynistor); c) — mengunci thyristor; d) - triak

Perlindungan thyristor

Thyristor ialah peranti kritikal untuk kadar kenaikan arus hadapan diA / dt dan penurunan voltan duAC / dt. Thyristor, seperti diod, dicirikan oleh fenomena arus pemulihan terbalik, yang penurunan mendadak kepada sifar memburukkan kemungkinan overvoltages dengan nilai duAC / dt yang tinggi. Voltan lampau sedemikian adalah akibat gangguan mendadak arus dalam elemen induktif litar, termasuk aruhan kecil pemasangan. Oleh itu, pelbagai skim CFTCP biasanya digunakan untuk melindungi thyristor, yang dalam mod dinamik memberikan perlindungan terhadap nilai diA / dt dan duAC / dt yang tidak boleh diterima.

Dalam kebanyakan kes, rintangan induktif dalaman bagi sumber voltan yang termasuk dalam litar thyristor yang disertakan adalah mencukupi supaya tiada LS kearuhan tambahan diperkenalkan.Oleh itu, dalam amalan, selalunya terdapat keperluan untuk CFT yang mengurangkan tahap dan kelajuan lonjakan tersandung (Rajah 7).

nasi. 7. Litar perlindungan thyristor biasa

Litar RC yang disambungkan selari dengan thyristor biasanya digunakan untuk tujuan ini. Terdapat pelbagai pengubahsuaian litar litar RC dan kaedah pengiraan parameternya untuk keadaan penggunaan thyristor yang berbeza.

Untuk thyristor terkunci, litar digunakan untuk membentuk laluan pensuisan, serupa dalam litar kepada transistor CFTT.