Thyristors: werkingsprincipe, ontwerp, soorten en methoden van opname

Het werkingsprincipe van de thyristor

Een thyristor is een vermogenselektronische, niet volledig regelbare schakelaar. Daarom wordt het in de technische literatuur soms een thyristor met één werking genoemd, die alleen door een stuursignaal in een geleidende toestand kan worden geschakeld, d.w.z. hij kan worden ingeschakeld. Om het uit te schakelen (bij gelijkstroombedrijf), moeten speciale maatregelen worden genomen om ervoor te zorgen dat de gelijkstroom tot nul daalt.

Een thyristorschakelaar kan stroom slechts in één richting geleiden en is in gesloten toestand bestand tegen zowel voorwaartse als achterwaartse spanning.

De thyristor heeft een vierlaagse pnpn-structuur met drie aansluitingen: Anode (A), Kathode (C) en Poort (G), die wordt getoond in Fig. 1

Rijst. 1. Conventionele thyristor: a) — conventionele grafische aanduiding; b) — volt-ampère karakteristiek.

In afb. 1b toont een familie van uitgangsstatische I - V-karakteristieken bij verschillende waarden van de stuurstroom iG. De beperkende voorwaartse spanning die de thyristor kan weerstaan ​​zonder hem aan te zetten, heeft maximale waarden bij iG = 0.Naarmate de stroom toeneemt, verlaagt iG de spanning die de thyristor kan weerstaan. De aan-toestand van de thyristor komt overeen met tak II, de uit-toestand komt overeen met tak I en het schakelproces komt overeen met tak III. De houdstroom of houdstroom is gelijk aan de minimaal toelaatbare doorlaatstroom iA waarbij de thyristor blijft geleiden. Deze waarde komt ook overeen met de minimaal mogelijke waarde van de doorlaatspanningsval over de aan-thyristor.

Tak IV vertegenwoordigt de afhankelijkheid van de lekstroom van de sperspanning. Wanneer de sperspanning de waarde van UBO overschrijdt, begint een sterke toename van de sperstroom, geassocieerd met het falen van de thyristor. De aard van de storing kan overeenkomen met een onomkeerbaar proces of een lawine-doorslagproces dat inherent is aan de werking van een halfgeleider zenerdiode.

Thyristors zijn de krachtigste elektronische schakelaars, die schakelingen kunnen schakelen met spanningen tot 5 kV en stromen tot 5 kA met een frequentie van niet meer dan 1 kHz.

Het ontwerp van thyristors wordt getoond in Fig. 2.

Rijst. 2. Het ontwerp van thyristorkasten: a) — tablet; b) — een speld

DC-thyristor

Een conventionele thyristor wordt ingeschakeld door een stroompuls toe te passen op het stuurcircuit met positieve polariteit ten opzichte van de kathode. De duur van de overgang tijdens het inschakelen wordt aanzienlijk beïnvloed door de aard van de belasting (actief, inductief, enz.), De amplitude en stijgingssnelheid van de stuurstroompuls iG, de temperatuur van de halfgeleiderstructuur van de thyristor, de aangelegde spanning en belasting stroom.In een circuit dat een thyristor bevat, mogen er geen onaanvaardbare waarden zijn van de stijgsnelheid van de voorwaartse spanning duAC / dt, waarbij spontane activering van de thyristor kan optreden bij afwezigheid van het stuursignaal iG en de snelheid van stijgen van de huidige diA / dt. Tegelijkertijd moet de helling van het stuursignaal hoog zijn.

Onder de manieren om thyristors uit te schakelen, is het gebruikelijk om onderscheid te maken tussen natuurlijke uitschakeling (of natuurlijke omschakeling) en geforceerde (of kunstmatige omschakeling). Natuurlijke commutatie treedt op wanneer thyristors in wisselende circuits werken op het moment dat de stroom tot nul daalt.

De methoden van geforceerd schakelen zijn zeer divers.De meest typische zijn de volgende: een voorgeladen condensator C verbinden met een schakelaar S (figuur 3, a); aansluiten van een LC-circuit met een voorgeladen condensator CK (figuur 3b); het gebruik van de oscillerende aard van het voorbijgaande proces in het belastingscircuit (Figuur 3, c).

Rijst. 3. Methoden voor het kunstmatig schakelen van thyristors: a) — door middel van een geladen condensator C; b) — door middel van oscillerende ontlading van de LC-kring; c) — vanwege de fluctuerende aard van de lading

Bij schakelen volgens het schema in afb. 3 en het aansluiten van een schakelcondensator met omgekeerde polariteit, bijvoorbeeld op een andere hulpthyristor, zal ervoor zorgen dat deze zich ontlaadt naar de geleidende hoofdthyristor. Omdat de ontlaadstroom van de condensator tegen de doorlaatstroom van de thyristor is gericht, neemt deze laatste af tot nul en schakelt de thyristor uit.

In het schema van afb. 3, b veroorzaakt de aansluiting van de LC-schakeling een oscillerende ontlading van de schakelcondensator CK.In dit geval stroomt aan het begin de ontlaadstroom door de thyristor tegengesteld aan de voorwaartse stroom, wanneer ze gelijk worden, wordt de thyristor uitgeschakeld. Bovendien gaat de stroom van het LC-circuit van de thyristor VS naar de diode VD. Terwijl de lusstroom door de diode VD vloeit, zal een sperspanning gelijk aan de spanningsval over de open diode op de thyristor VS worden toegepast.

In het schema van afb. 3, zal het aansluiten van een thyristor VS op een complexe RLC-belasting een transiënt veroorzaken. Met bepaalde parameters van de belasting kan dit proces een oscillerend karakter hebben met een verandering in de polariteit van de belastingsstroom in. In dit geval wordt na het uitschakelen van de thyristor VS de diode VD ingeschakeld, die een stroom begint te geleiden van tegengestelde polariteit. Soms wordt deze manier van schakelen quasi-natuurlijk genoemd omdat het een verandering in de polariteit van de belastingsstroom inhoudt.

AC-thyristor

Wanneer de thyristor is aangesloten op het AC-circuit, zijn de volgende bewerkingen mogelijk:

• in- en uitschakelen van het elektrische circuit met actieve en actief-reactieve belasting;

• verandering in gemiddelde en effectieve stroomwaarden door de belasting vanwege het feit dat het mogelijk is om de timing van het stuursignaal aan te passen.

Aangezien de thyristorschakelaar elektrische stroom in slechts één richting kan geleiden, wordt voor het gebruik van wisselstroomthyristors hun parallelle verbinding gebruikt (Fig. 4, a).

Rijst. 4. Anti-parallelle verbinding van thyristors (a) en de vorm van de stroom met een actieve belasting (b)

Gemiddeld en effectieve stroom variëren als gevolg van een verandering in de tijd waarop openingssignalen worden toegepast op thyristors VS1 en VS2, d.w.z. door de hoek te veranderen en (Fig. 4, b).De waarden van deze hoek voor thyristors VS1 en VS2 tijdens de regeling worden gelijktijdig gewijzigd door het besturingssysteem. De hoek wordt de stuurhoek of afvuurhoek van de thyristor genoemd.

De meest gebruikte in vermogenselektronische apparaten zijn fase- (fig. 4, a, b) en thyristorbesturing met pulsbreedte (fig. 4, c).

Rijst. 5. Type belastingsspanning bij: a) — faseregeling van de thyristor; b) — faseregeling van een thyristor met geforceerde commutatie; c) — pulsbreedte thyristorregeling

Met de fasemethode van thyristorbesturing met geforceerde commutatie, is regeling van de belastingsstroom mogelijk door zowel de hoek ? als de hoek ? te wijzigen. Kunstmatige schakeling wordt uitgevoerd met behulp van speciale knooppunten of met behulp van volledig gecontroleerde (vergrendelende) thyristors.

Met pulsbreedteregeling (pulsbreedtemodulatie - PWM) tijdens Totkr wordt een stuursignaal toegepast op de thyristors, deze zijn open en de spanning Un wordt toegepast op de belasting. Gedurende de Tacr-tijd is het stuursignaal afwezig en bevinden de thyristors zich in een niet-geleidende toestand. RMS-waarde van de stroom in de belasting

waar In.m. — laadstroom bij Tcl = 0.

De stroomcurve in de belasting met faseregeling van de thyristors is niet-sinusvormig, wat vervorming van de vorm van de spanning van het voedingsnetwerk veroorzaakt en storingen in het werk van consumenten die gevoelig zijn voor hoogfrequente storingen - de zogenaamde optreedt. Elektromagnetische onverenigbaarheid.

Vergrendelende thyristors

Thyristors zijn de krachtigste elektronische schakelaars die worden gebruikt om circuits met hoge spanning en hoge stroom (hoge stroom) te schakelen.Ze hebben echter een aanzienlijk nadeel: onvolledige beheersbaarheid, wat tot uiting komt in het feit dat het, om ze uit te schakelen, nodig is om voorwaarden te scheppen om de voorwaartse stroom tot nul te reduceren. Dit beperkt en bemoeilijkt in veel gevallen het gebruik van thyristors.

Om dit nadeel op te heffen zijn er thyristors ontwikkeld die worden vergrendeld door een signaal van de stuurelektrode G. Dergelijke thyristors worden gate-off thyristors (GTO) of dual-operation genoemd.

Vergrendelende thyristors (ZT) hebben een vierlaagse p-p-p-p-structuur, maar hebben tegelijkertijd een aantal belangrijke ontwerpkenmerken waardoor ze totaal verschillen van traditionele thyristors - de eigenschap van volledige beheersbaarheid. De statische I-V-karakteristiek van uitschakelthyristors in voorwaartse richting is identiek aan de I-V-karakteristiek van conventionele thyristors. De lock-in thyristor is echter meestal niet in staat grote sperspanningen te blokkeren en is vaak verbonden met een antiparallelle diode. Bovendien worden lock-in thyristors gekenmerkt door aanzienlijke voorwaartse spanningsdalingen. Om de vergrendelende thyristor uit te schakelen, is het noodzakelijk om een ​​​​krachtige puls van negatieve stroom (ongeveer 1: 5 in verhouding tot de waarde van de constante uitstroom) toe te passen op het circuit van de sluitelektrode, maar met een korte duur (10- 100 microseconden).

Lock-in thyristors hebben ook lagere uitschakelspanningen en -stromen (ongeveer 20-30%) dan conventionele thyristors.

De belangrijkste soorten thyristors

Met uitzondering van lock-in thyristors is een breed scala aan thyristors van verschillende typen ontwikkeld, die verschillen in snelheid, besturingsprocessen, stroomrichting in geleidende toestand, enz.Onder hen moeten de volgende typen worden opgemerkt:

• thyristordiode, wat overeenkomt met een thyristor met een antiparallel geschakelde diode (Fig. 6.12, a);

• diode thyristor (dynistor), schakelen naar een geleidende toestand wanneer een bepaald spanningsniveau wordt overschreden, toegepast tussen A en C (Fig. 6, b);

• vergrendelende thyristor (Fig. 6.12, c);

• symmetrische thyristor of triac, wat overeenkomt met twee antiparallel geschakelde thyristors (fig. 6.12, d);

• snelle inverter-thyristor (uitschakeltijd 5-50 μs);

• veldthyristor bijvoorbeeld gebaseerd op een combinatie van een MOS-transistor met een thyristor;

• optische thyristor bestuurd door lichtstroom.

Rijst. 6. Conventionele grafische aanduiding van thyristors: a) — thyristordiode; b) — diode-thyristor (dynistor); c) — vergrendelende thyristor; d) — triac

Thyristor bescherming

Thyristors zijn kritische apparaten voor de stijgsnelheid van de doorlaatstroom diA / dt en de spanningsval duAC / dt. Thyristors worden, net als diodes, gekenmerkt door het fenomeen van omgekeerde herstelstroom, waarvan de scherpe daling tot nul de mogelijkheid van overspanningen met een hoge duAC / dt-waarde verergert. Dergelijke overspanningen zijn het gevolg van een plotselinge onderbreking van de stroom in de inductieve elementen van het circuit, inclusief kleine inductanties installatie. Daarom worden meestal verschillende CFTCP-schema's gebruikt om thyristors te beschermen, die in dynamische modi bescherming bieden tegen onaanvaardbare waarden van diA / dt en duAC / dt.

In de meeste gevallen is de interne inductieve weerstand van de spanningsbronnen in het circuit van de meegeleverde thyristor voldoende zodat er geen extra inductantie LS wordt geïntroduceerd.Daarom is er in de praktijk vaak behoefte aan CFT's die het niveau en de snelheid van uitschakelpieken verminderen (fig. 7).

Rijst. 7. Typisch thyristorbeveiligingscircuit

Hiervoor worden meestal RC-circuits gebruikt die parallel zijn geschakeld met de thyristor. Er zijn verschillende circuitmodificaties van RC-circuits en methoden om hun parameters te berekenen voor verschillende gebruiksomstandigheden van thyristors.

Voor lock-in thyristors worden circuits gebruikt om een ​​schakelpad te vormen, vergelijkbaar met CFTT-transistors.