Tiristori: darbības princips, dizains, veidi un iekļaušanas metodes

Tiristora darbības princips

Tiristors ir jaudas elektronisks, nevis pilnībā vadāms slēdzis. Tāpēc dažreiz tehniskajā literatūrā to sauc par viendarbības tiristoru, kuru var pārslēgt vadošā stāvoklī tikai ar vadības signālu, t.i., to var ieslēgt. Lai to izslēgtu (līdzstrāvas režīmā), ir jāveic īpaši pasākumi, lai nodrošinātu, ka līdzstrāva samazinās līdz nullei.

Tiristoru slēdzis var vadīt strāvu tikai vienā virzienā, un slēgtā stāvoklī tas spēj izturēt gan tiešo, gan atpakaļgaitas spriegumu.

Tiristoram ir četru slāņu p-n-p-n struktūra ar trim vadiem: anods (A), katods (C) un vārti (G), kas parādīts attēlā. 1

Rīsi. 1. Parastie tiristori: a) — parasts grafiskais apzīmējums; b) — volt-ampēra raksturlielums.

attēlā. 1b attēlā ir parādīta izejas statisko I-V raksturlielumu saime ar dažādām vadības strāvas iG vērtībām. Ierobežojošajam tiešajam spriegumam, ko tiristors var izturēt, to neieslēdzot, ir maksimālās vērtības pie iG = 0.Palielinoties strāvai, iG samazina spriegumu, ko tiristors var izturēt. Tiristora ieslēgtais stāvoklis atbilst II atzaram, izslēgtais stāvoklis atbilst I atzaram, un pārslēgšanas process atbilst III atzaram. Turēšanas strāva vai turēšanas strāva ir vienāda ar minimālo pieļaujamo priekšējo strāvu iA, pie kuras tiristors turpina vadīt. Šī vērtība atbilst arī minimālajai iespējamajai tiešās sprieguma krituma vērtībai uz ieslēgtā tiristora.

IV atzars atspoguļo noplūdes strāvas atkarību no apgrieztā sprieguma. Kad reversais spriegums pārsniedz UBO vērtību, sākas straujš reversās strāvas pieaugums, kas saistīts ar tiristora atteici. Bojājuma raksturs var atbilst neatgriezeniskam procesam vai lavīnas sabrukšanas procesam, kas raksturīgs pusvadītāju zenera diodes darbībai.

Tiristori ir visspēcīgākie elektroniskie slēdži, kas spēj pārslēgt ķēdes ar spriegumu līdz 5 kV un strāvu līdz 5 kA ar frekvenci, kas nepārsniedz 1 kHz.

Tiristoru konstrukcija ir parādīta att. 2.

Rīsi. 2. Tiristoru kārbu dizains: a) — planšetdators; b) — tapa

Līdzstrāvas tiristors

Parastais tiristoru ieslēdz, pieliekot vadības ķēdei strāvas impulsu ar pozitīvu polaritāti attiecībā pret katodu. Pārejas ilgumu ieslēgšanas laikā būtiski ietekmē slodzes raksturs (aktīvā, induktīvā utt.), vadības strāvas impulsa iG amplitūda un pieauguma ātrums, tiristora pusvadītāju struktūras temperatūra, pielietotais spriegums un slodzes strāva.Ķēdē, kas satur tiristoru, nedrīkst būt nepieņemamas tiešā sprieguma duAC / dt pieauguma vērtības, kur var notikt spontāna tiristora aktivizēšanās, ja nav vadības signāla iG un ātruma. pieaugums no strāvas diA / dt. Tajā pašā laikā vadības signāla slīpumam jābūt augstam.

Starp tiristoru izslēgšanas veidiem ir ierasts atšķirt dabisko izslēgšanu (vai dabisku pārslēgšanu) un piespiedu (vai mākslīgu pārslēgšanu). Dabiskā komutācija notiek, kad tiristori darbojas maiņstrāvas ķēdēs brīdī, kad strāva nokrītas līdz nullei.

Piespiedu komutācijas metodes ir ļoti dažādas.Tipiskākās no tām ir šādas: iepriekš uzlādēta kondensatora C savienošana ar slēdzi S (3.attēls a); LC ķēdes savienošana ar iepriekš uzlādētu kondensatoru CK (3. b attēls); pārejas procesa oscilējošā rakstura izmantošana slodzes ķēdē (3. attēls, c).

Rīsi. 3. Tiristoru mākslīgās pārslēgšanas metodes: a) — ar uzlādētu kondensatoru C; b) — ar LC ķēdes svārstību izlādi; c) — slodzes mainīgā rakstura dēļ

Pārslēdzot saskaņā ar shēmu attēlā. 3 un pievienojot reversās polaritātes komutācijas kondensatoru, piemēram, citam palīgtiristoram, tas izlādēsies uz vadošo galveno tiristoru. Tā kā kondensatora izlādes strāva ir vērsta pret tiristora priekšējo strāvu, tā samazinās līdz nullei un tiristors izslēdzas.

att. diagrammā. 3, b, LC ķēdes savienojums izraisa komutācijas kondensatora CK svārstību izlādi.Šajā gadījumā sākumā izlādes strāva plūst caur tiristoru pretēji tā priekšējai strāvai, kad tie kļūst vienādi, tiristors izslēdzas. Turklāt LC ķēdes strāva pāriet no tiristora VS uz diodi VD. Kamēr cilpas strāva plūst caur diodi VD, tiristoram VS tiks pielietots apgrieztais spriegums, kas vienāds ar sprieguma kritumu pāri atvērtajai diodei.

att. diagrammā. 3, tiristoru VS pievienošana sarežģītai RLC slodzei izraisīs pārejošu pāreju. Ar noteiktiem slodzes parametriem šim procesam var būt svārstīgs raksturs, mainoties slodzes strāvas polaritātei. Šajā gadījumā pēc tiristora VS izslēgšanas ieslēdzas diode VD, kas sāk vadīt strāvu pretēja polaritāte. Dažreiz šo pārslēgšanas metodi sauc par gandrīz dabisku, jo tā ir saistīta ar slodzes strāvas polaritātes maiņu.

Maiņstrāvas tiristors

Kad tiristors ir pievienots maiņstrāvas ķēdei, ir iespējamas šādas darbības:

• elektriskās ķēdes ieslēgšana un izslēgšana ar aktīvo un aktīvo-reaktīvo slodzi;

• vidējās un efektīvās strāvas vērtību izmaiņas caur slodzi, jo ir iespējams pielāgot vadības signāla laiku.

Tā kā tiristoru slēdzis spēj vadīt elektrisko strāvu tikai vienā virzienā, tad maiņstrāvas tiristoru izmantošanai tiek izmantots to paralēlais savienojums (4. att., a).

Rīsi. 4. Tiristoru pretparalēlais savienojums (a) un strāvas forma ar aktīvo slodzi (b)

Vidējais un efektīvā strāva mainīties sakarā ar izmaiņām laikā, kurā tiristoriem VS1 un VS2 tiek ievadīti atvēršanas signāli, t.i. mainot leņķi un (4. att., b).Šī leņķa vērtības tiristoriem VS1 un VS2 regulēšanas laikā vienlaikus maina vadības sistēma. Leņķi sauc par tiristora vadības leņķi vai aizdedzes leņķi.

Spēka elektroniskajās ierīcēs visplašāk tiek izmantotas fāzes (4. att., a, b) un tiristoru vadība ar impulsa platumu (4. att., c).

Rīsi. 5. Slodzes sprieguma veids pie: a) — tiristora fāzes kontrole; b) — tiristora fāzes vadība ar piespiedu komutāciju; c) — impulsa platuma tiristoru vadība

Ar tiristoru vadības fāzes metodi ar piespiedu komutāciju slodzes strāvas regulēšana iespējama gan mainot leņķi ?, gan leņķi ?... Mākslīgo pārslēgšanu veic, izmantojot īpašus mezglus vai izmantojot pilnībā vadāmus (bloķējošos) tiristorus.

Ar impulsa platuma vadību (impulsa platuma modulāciju — PWM) Totkr laikā tiristoriem tiek pievadīts vadības signāls, tie ir atvērti un slodzei tiek pielikts spriegums Un. Tacr laikā vadības signāla nav, un tiristori atrodas nevadošā stāvoklī. Slodzes strāvas efektīvā vērtība

kur In.m. — slodzes strāva pie Tcl = 0.

Slodzes strāvas līkne ar tiristoru fāzes vadību nav sinusoidāla, kas izraisa barošanas tīkla sprieguma formas izkropļojumus un traucējumus patērētāju darbā, kuri ir jutīgi pret augstfrekvences traucējumiem - notiek tā sauktais. Elektromagnētiskā nesaderība.

Bloķējoši tiristori

Tiristori ir visspēcīgākie elektroniskie slēdži, ko izmanto, lai pārslēgtu augstsprieguma, lielas strāvas (augstas strāvas) ķēdes.Tomēr tiem ir būtisks trūkums - nepilnīga vadāmība, kas izpaužas faktā, ka, lai tos izslēgtu, ir jārada apstākļi tiešās strāvas samazināšanai līdz nullei. Tas daudzos gadījumos ierobežo un sarežģī tiristoru izmantošanu.

Lai novērstu šo trūkumu, ir izstrādāti tiristori, kas tiek bloķēti ar signālu no vadības elektroda G. Šādus tiristorus sauc par izslēgšanas tiristori (GTO) vai dual-operation.

Bloķējošiem tiristoriem (ZT) ir četru slāņu p-p-p-p struktūra, taču tajā pašā laikā tiem ir vairākas nozīmīgas dizaina iezīmes, kas tiem piešķir pilnīgi atšķirīgus no tradicionālajiem tiristoriem - pilnīgas vadāmības īpašību. Izslēdzamo tiristoru statiskā I-V raksturlielums virzienā uz priekšu ir identisks parasto tiristoru I-V raksturlielumam. Tomēr bloķējošais tiristors parasti nespēj bloķēt lielus reversos spriegumus un bieži ir savienots ar pretparalēlo diode. Turklāt bloķēšanas tiristori raksturo ievērojami tiešā sprieguma kritumi. Lai izslēgtu bloķējošo tiristoru, aizvēršanas elektroda ķēdei ir jāpieliek spēcīgs negatīvas strāvas impulss (apmēram 1: 5 attiecībā pret pastāvīgās izslēgšanas strāvas vērtību), bet ar īsu laiku (10- 100 μs).

Bloķētajiem tiristoriem ir arī zemāks izslēgšanas spriegums un strāvas (par aptuveni 20-30%) nekā parastajiem tiristoriem.

Galvenie tiristoru veidi

Izņemot fiksējamos tiristorus, ir izstrādāts plašs dažāda veida tiristoru klāsts, kas atšķiras pēc ātruma, vadības procesiem, strāvu virziena vadošā stāvoklī utt.Starp tiem jāatzīmē šādi veidi:

• tiristora diode, kas ir līdzvērtīga tiristoram ar pretparalēli savienotu diodi (6.12. att., a);

• diode tiristors (dinistors), pārejot uz vadošu stāvokli, kad tiek pārsniegts noteikts sprieguma līmenis, tiek pielietots starp A un C (6. att., b);

• bloķēšanas tiristoru (6.12. att., c);

• simetrisks tiristoru jeb triac, kas ir ekvivalents diviem pretparalēli savienotiem tiristoriem (6.12. att., d);

• ātrgaitas invertora tiristoru (izslēgšanās laiks 5-50 μs);

• lauka tiristoru, piemēram, pamatojoties uz MOS tranzistora un tiristoru kombināciju;

• optiskais tiristors, ko kontrolē gaismas plūsma.

Rīsi. 6. Tiristoru parastais grafiskais apzīmējums: a) — tiristoru diode; b) — diodes tiristoru (dinistoru); c) — bloķējošais tiristors; d) — triaks

Tiristora aizsardzība

Tiristori ir kritiskas ierīces tiešās strāvas diA / dt pieauguma ātrumam un sprieguma kritumam duAC / dt. Tiristoriem, tāpat kā diodēm, ir raksturīga reversās atkopšanas strāvas parādība, kuras straujš kritums līdz nullei palielina pārsprieguma iespēju ar augstu duAC / dt vērtību. Šādi pārspriegumi rodas pēkšņa strāvas pārtraukuma rezultātā ķēdes induktīvajos elementos, t.sk. mazas induktivitātes uzstādīšana. Tāpēc tiristoru aizsardzībai parasti tiek izmantotas dažādas CFTCP shēmas, kas dinamiskajos režīmos nodrošina aizsardzību pret nepieņemamām diA / dt un duAC / dt vērtībām.

Vairumā gadījumu iekļautā tiristora ķēdē iekļauto sprieguma avotu iekšējā induktīvā pretestība ir pietiekama, lai netiktu ieviesta papildu induktivitāte LS.Tāpēc praksē bieži rodas nepieciešamība pēc CFT, kas samazina atvienošanas pārsprieguma līmeni un ātrumu (7. att.).

Rīsi. 7. Tipiska tiristoru aizsardzības shēma

Parasti šim nolūkam tiek izmantotas RC ķēdes, kas savienotas paralēli tiristoru. Pastāv dažādas RC ķēžu ķēžu modifikācijas un to parametru aprēķināšanas metodes dažādiem tiristoru lietošanas apstākļiem.

Bloķējamiem tiristoriem shēmas tiek izmantotas, lai izveidotu komutācijas ceļu, kas pēc ķēdes ir līdzīgas CFTT tranzistoriem.