Tyristorit: toimintaperiaate, rakenne, tyypit ja sisällyttämismenetelmät

Tyristorin toimintaperiaate

Tyristori on tehoelektroniikka, ei täysin ohjattavissa. Siksi sitä joskus teknisessä kirjallisuudessa kutsutaan yksitoimityristoriksi, joka voidaan kytkeä johtavaan tilaan vain ohjaussignaalilla, eli se voidaan kytkeä päälle. Sen sammuttamiseksi (tasavirtakäytössä) on suoritettava erityisiä toimenpiteitä sen varmistamiseksi, että tasavirta putoaa nollaan.

Tyristorikytkin voi johtaa virtaa vain yhteen suuntaan, ja suljetussa tilassa se kestää sekä myötä- että paluujännitettä.

Tyristorissa on nelikerroksinen p-n-p-n-rakenne, jossa on kolme johtoa: anodi (A), katodi (C) ja portti (G), joka on esitetty kuvassa. 1

Riisi. 1. Tavanomainen tyristori: a) — tavanomainen graafinen merkintä; b) — jännite-ampeeriominaisuus.

Kuvassa Kuva 1b esittää staattisten I-V-ominaisuuksien perhettä ohjausvirran iG eri arvoilla. Rajoittavalla myötäjännitteellä, jonka tyristori voi kestää kytkemättä sitä päälle, on maksimiarvot iG = 0.Virran kasvaessa iG pienentää jännitettä, jonka tyristori kestää. Tyristorin päällä-tila vastaa haaraa II, pois-tila vastaa haaraa I ja kytkentäprosessi vastaa haaraa III. Pitovirta tai pitovirta on yhtä suuri kuin pienin sallittu myötävirta iA, jolla tyristori pysyy johtavana. Tämä arvo vastaa myös pienintä mahdollista lähtöjännitehäviön arvoa päällä olevan tyristorin yli.

Haara IV edustaa vuotovirran riippuvuutta käänteisjännitteestä. Kun käänteinen jännite ylittää UBO: n arvon, käänteisvirran voimakas kasvu alkaa, mikä liittyy tyristorin vikaan. Häiriön luonne voi vastata puolijohde-zener-diodin toiminnalle ominaista peruuttamatonta prosessia tai lumivyöryä.

Tyristorit ovat tehokkaimpia elektronisia kytkimiä, jotka pystyvät kytkemään piirejä, joiden jännite on enintään 5 kV ja virrat enintään 5 kA taajuudella, joka on enintään 1 kHz.

Tyristorien rakenne on esitetty kuvassa. 2.

Riisi. 2. Tyristorikoteloiden rakenne: a) — tabletti; b) - tappi

DC-tyristori

Perinteinen tyristori kytketään päälle kohdistamalla ohjauspiiriin virtapulssi, jolla on positiivinen napaisuus suhteessa katodiin. Transientin kestoon päällekytkennän aikana vaikuttavat merkittävästi kuorman luonne (aktiivinen, induktiivinen jne.), ohjausvirtapulssin iG amplitudi ja nousunopeus, tyristorin puolijohderakenteen lämpötila, käytetty jännite ja kuormitusvirta.Tyristorin sisältävässä piirissä ei saa olla ei-hyväksyttyjä lähtöjännitteen duAC / dt nousunopeuden arvoja, joissa tyristorin spontaani aktivoituminen voi tapahtua ohjaussignaalin iG ja ohjaussignaalin puuttuessa. nousu nykyisestä diA / dt. Samalla ohjaussignaalin kaltevuuden on oltava korkea.

Tyristorien sammutustavoista on tapana erottaa luonnollinen sammutus (tai luonnollinen kytkentä) ja pakko (tai keinotekoinen kytkentä). Luonnollinen kommutaatio tapahtuu, kun tyristorit toimivat vaihtopiireissä sillä hetkellä, kun virta putoaa nollaan.

Pakkokytkentämenetelmät ovat hyvin erilaisia, tyypillisimpiä niistä ovat seuraavat: esiladatun kondensaattorin C kytkeminen kytkimellä S (kuva 3, a); LC-piirin kytkeminen esiladatulla kondensaattorilla CK (kuva 3b); transienttiprosessin värähtelevän luonteen käyttö kuormituspiirissä (kuva 3, c).

Riisi. 3. Menetelmät tyristorien keinotekoiseen kytkemiseen: a) — varatulla kondensaattorilla C; b) — LC-piirin värähtelevän purkauksen avulla; c) — kuorman vaihtelevasta luonteesta johtuen

Kun kytketään kuvan 2 kaavion mukaan. 3 ja kytkemällä käänteisen napaisuuden omaava kytkentäkondensaattori esimerkiksi toiseen aputyristoriin, se purkaa johtavaan päätyristoriin. Koska kondensaattorin purkausvirta on suunnattu tyristorin myötävirtaa vastaan, jälkimmäinen laskee nollaan ja tyristori sammuu.

Kuvan kaaviossa Kuviossa 3, b LC-piirin kytkentä aiheuttaa kytkentäkondensaattorin CK värähtelevän purkauksen.Tässä tapauksessa aluksi purkausvirta kulkee tyristorin läpi sen myötävirtaa vastapäätä, kun ne ovat yhtä suuret, tyristori sammuu. Lisäksi LC-piirin virta kulkee tyristorista VS diodille VD. Kun silmukkavirta kulkee diodin VD läpi, tyristoriin VS syötetään käänteinen jännite, joka on yhtä suuri kuin avoimen diodin jännitehäviö.

Kuvan kaaviossa Kuviossa 3 tyristorin VS yhdistäminen monimutkaiseen RLC-kuormaan aiheuttaa transientin. Tietyillä kuorman parametreillä tällä prosessilla voi olla värähtelevä luonne ja kuormitusvirran polariteetti muuttuu. Tässä tapauksessa tyristorin VS sammuttamisen jälkeen käynnistyy diodi VD, joka alkaa johtaa virran vastakkainen napaisuus. Joskus tätä kytkentämenetelmää kutsutaan lähes luonnolliseksi, koska siihen liittyy kuormitusvirran napaisuuden muutos.

AC tyristori

Kun tyristori on kytketty vaihtovirtapiiriin, seuraavat toiminnot ovat mahdollisia:

• sähköpiirin kytkeminen päälle ja pois päältä aktiivisella ja aktiivi-reaktiivisella kuormalla;

• muutos keskimääräisissä ja tehollisissa virta-arvoissa kuormituksen kautta johtuen siitä, että ohjaussignaalin ajoitusta on mahdollista säätää.

Koska tyristorikytkin pystyy johtamaan sähkövirtaa vain yhteen suuntaan, niin vaihtovirtatyristoreiden käyttöön käytetään niiden rinnakkaiskytkentää (kuva 4, a).

Riisi. 4. Tyristorien (a) vastarinnakkaiskytkentä ja virran muoto aktiivisella kuormalla (b)

Keskimääräinen ja tehollinen virta vaihtelevat johtuen muutoksesta ajasta, jolloin avaussignaalit syötetään tyristoreille VS1 ja VS2, ts. muuttamalla kulmaa ja (kuva 4, b).Ohjausjärjestelmä muuttaa samanaikaisesti tämän kulman arvoja tyristoreille VS1 ja VS2 säädön aikana. Kulmaa kutsutaan tyristorin ohjauskulmaksi tai laukaisukulmaksi.

Tehoelektroniikkalaitteissa yleisimmin käytettyjä ovat vaihe (kuva 4, a, b) ja tyristoriohjaus pulssinleveydellä (kuva 4, c).

Riisi. 5. Kuormajännitteen tyyppi: a) — tyristorin vaiheohjaus; b) — tyristorin vaiheohjaus pakotetulla kommutaatiolla; c) — pulssinleveyden tyristoriohjaus

Tyristoriohjauksen vaihemenetelmällä pakotetulla kommutaatiolla kuormitusvirran säätö on mahdollista sekä kulmaa ? että kulmaa ? muuttamalla... Keinotekoinen kytkentä suoritetaan erityisillä solmuilla tai käyttämällä täysin ohjattuja (lukitus)tyristoreita.

Pulssinleveyssäädöllä (pulssinleveysmodulaatio — PWM) Totkr:n aikana tyristoreille syötetään ohjaussignaali, ne ovat auki ja kuormaan syötetään jännite Un. Tacr-ajan aikana ohjaussignaali puuttuu ja tyristorit ovat johtamattomassa tilassa. Kuorman virran RMS-arvo

missä In.m. - kuormitusvirta, kun Tcl = 0.

Kuorman virtakäyrä tyristorien vaiheohjauksella on ei-sinimuotoinen, mikä aiheuttaa syöttöverkon jännitteen muodon vääristymistä ja häiriöitä korkeataajuisille häiriöille herkkien kuluttajien työssä - tapahtuu ns. Sähkömagneettinen yhteensopimattomuus.

Lukittavat tyristorit

Tyristorit ovat tehokkaimpia elektronisia kytkimiä, joita käytetään suurjännite-, suurvirta- (korkeavirta) piirien kytkemiseen.Niillä on kuitenkin merkittävä haittapuoli - epätäydellinen ohjattavuus, joka ilmenee siinä, että niiden sammuttamiseksi on luotava olosuhteet eteenpäin suunnatun virran vähentämiseksi nollaan. Tämä monissa tapauksissa rajoittaa ja vaikeuttaa tyristorien käyttöä.

Tämän epäkohdan poistamiseksi on kehitetty tyristoreja, jotka lukitaan ohjauselektrodin G signaalilla. Tällaisia ​​tyristoreita kutsutaan gate-off-tyristoreiksi (GTO) tai kaksoisoperaatioiksi.

Lukitustyristoreilla (ZT) on nelikerroksinen p-p-p-p-rakenne, mutta samalla niillä on useita merkittäviä suunnitteluominaisuuksia, jotka antavat niille täysin erilaisen kuin perinteiset tyristorit - täydellisen ohjattavuuden. Katkaisutyristoreiden staattinen I-V-ominaisuus eteenpäin suunnassa on identtinen perinteisten tyristorien I-V-ominaisuuden kanssa. Lukitustyristori ei kuitenkaan yleensä pysty estämään suuria käänteisiä jännitteitä, ja se on usein kytketty antirinnakkaisdiodiin. Lisäksi lukitustyristoreille on ominaista merkittävät eteenpäin suunnatut jännitehäviöt. Lukitustyristorin sammuttamiseksi on tarpeen syöttää voimakas negatiivinen virran pulssi (noin 1:5 suhteessa jatkuvan sammutusvirran arvoon) sulkemiselektrodin piiriin, mutta lyhytkestoisesti (10- 100 μs).

Lukitustyristoreilla on myös alhaisemmat katkaisujännitteet ja -virrat (noin 20-30 %) kuin perinteisillä tyristoreilla.

Tyristorien päätyypit

Lukitustyristoreja lukuun ottamatta on kehitetty laaja valikoima erityyppisiä tyristoreita, jotka eroavat nopeudeltaan, ohjausprosesseilta, johtavan tilan virtojen suunnalta jne.Niiden joukossa on huomioitava seuraavat tyypit:

• tyristoridiodi, joka vastaa tyristoria, jossa on antirinnakkaisliitännäinen diodi (kuva 6.12, a);

• diodityristori (dynistori), joka siirtyy johtavaan tilaan, kun tietty jännitetaso ylittyy, sovelletaan A:n ja C:n välillä (kuva 6, b);

• lukitustyristori (kuva 6.12, c);

• symmetrinen tyristori tai triakki, joka vastaa kahta rinnakkain kytkettyä tyristoria (kuva 6.12, d);

• nopea invertterityristori (poiskytkentäaika 5-50 μs);

• kenttätyristori, joka perustuu esimerkiksi MOS-transistorin ja tyristorin yhdistelmään;

• optinen tyristori, jota ohjataan valovirralla.

Riisi. 6. Tyristorien perinteinen graafinen merkintä: a) — tyristoridiodi; b) - diodityristori (dynistori); c) — lukitustyristori; d) - triac

Tyristorisuojaus

Tyristorit ovat kriittisiä laitteita myötävirran diA / dt nousunopeudelle ja jännitehäviölle duAC / dt. Tyristoreille, kuten diodeille, on ominaista käänteisen palautusvirran ilmiö, jonka jyrkkä pudotus nollaan pahentaa ylijännitteiden mahdollisuutta korkealla duAC / dt-arvolla. Tällaiset ylijännitteet ovat seurausta äkillisestä virran katkeamisesta piirin induktiivisissa elementeissä, mukaan lukien pienet induktanssit asennus. Siksi tyristorien suojaamiseen käytetään yleensä erilaisia ​​CFTCP-järjestelmiä, jotka dynaamisissa tiloissa tarjoavat suojan ei-hyväksyttäviltä diA / dt- ja duAC / dt-arvoilta.

Useimmissa tapauksissa mukana tulevan tyristorin piiriin sisältyvien jännitelähteiden sisäinen induktiivinen resistanssi on riittävä, jotta lisäinduktanssia LS ei synny.Siksi käytännössä tarvitaan usein CFT:itä, jotka vähentävät laukaisuaaltojen tasoa ja nopeutta (kuva 7).

Riisi. 7. Tyypillinen tyristorisuojapiiri

Tähän tarkoitukseen käytetään yleensä tyristorin kanssa rinnan kytkettyjä RC-piirejä. RC-piireihin on olemassa erilaisia ​​piirimuunnelmia ja menetelmiä niiden parametrien laskemiseksi tyristorien erilaisiin käyttöolosuhteisiin.

Lukitustyristoreissa piirejä käytetään muodostamaan kytkentäpolku, joka on samanlainen kuin CFTT-transistoreissa.