Tiristori: principio di funzionamento, progettazione, tipi e metodi di inclusione

Il principio di funzionamento del tiristore

Un tiristore è un interruttore elettronico di potenza, non completamente controllabile. Pertanto, a volte nella letteratura tecnica viene chiamato tiristore a operazione singola, che può essere commutato in uno stato di conduzione solo da un segnale di controllo, ad es. Per spegnerlo (nel funzionamento in corrente continua), è necessario adottare misure speciali per garantire che la corrente continua scenda a zero.

Un interruttore a tiristori può condurre corrente solo in una direzione e, nello stato chiuso, è in grado di sopportare sia la tensione diretta che quella inversa.

Il tiristore ha una struttura p-n-p-n a quattro strati con tre conduttori: anodo (A), catodo (C) e gate (G), come mostrato in Fig. 1

Riso. 1. Tiristore convenzionale: a) — designazione grafica convenzionale; b) — caratteristica volt-ampere.

Nella fig. 1b mostra una famiglia di caratteristiche I - V statiche di uscita a diversi valori della corrente di controllo iG. La tensione diretta limite che il tiristore può sopportare senza accenderlo ha valori massimi a iG = 0.All'aumentare della corrente, iG diminuisce la tensione che il tiristore può sopportare. Lo stato on del tiristore corrisponde al ramo II, lo stato off corrisponde al ramo I e il processo di commutazione corrisponde al ramo III. La corrente di mantenimento o corrente di mantenimento è uguale alla corrente diretta minima consentita iA alla quale il tiristore rimane in conduzione. Questo valore corrisponde anche al valore minimo possibile della caduta di tensione diretta attraverso il tiristore attivo.

Il ramo IV rappresenta la dipendenza della corrente di dispersione dalla tensione inversa. Quando la tensione inversa supera il valore di UBO, inizia un forte aumento della corrente inversa, associato al guasto del tiristore. La natura del guasto può corrispondere a un processo irreversibile oa un processo di guasto a valanga inerente al funzionamento di un diodo zener a semiconduttore.

I tiristori sono gli interruttori elettronici più potenti, in grado di commutare circuiti con tensioni fino a 5 kV e correnti fino a 5 kA a una frequenza non superiore a 1 kHz.

Il design dei tiristori è mostrato in fig. 2.

Riso. 2. Il design delle scatole di tiristori: a) — tablet; b) — uno spillo

Tiristore CC

Un tiristore convenzionale viene acceso applicando un impulso di corrente al circuito di controllo con polarità positiva rispetto al catodo. La durata del transitorio durante l'accensione è significativamente influenzata dalla natura del carico (attivo, induttivo, ecc.), dall'ampiezza e dalla velocità di aumento dell'impulso di corrente di controllo iG, dalla temperatura della struttura semiconduttrice del tiristore, la tensione applicata e la corrente di carico.In un circuito contenente un tiristore, non dovrebbero esserci valori inaccettabili della velocità di aumento della tensione diretta duAC / dt, dove può verificarsi l'attivazione spontanea del tiristore in assenza del segnale di controllo iG e la velocità di salire dalla corrente diA / dt. Allo stesso tempo, la pendenza del segnale di controllo deve essere elevata.

Tra i modi per spegnere i tiristori, è consuetudine distinguere tra spegnimento naturale (o commutazione naturale) e commutazione forzata (o artificiale). La commutazione naturale si verifica quando i tiristori operano in circuiti alternati nel momento in cui la corrente scende a zero.

I metodi di commutazione forzata sono molto diversi, i più tipici sono i seguenti: collegamento di un condensatore precaricato C con un interruttore S (Figura 3, a); collegare un circuito LC con un condensatore precaricato CK (figura 3b); l'uso della natura oscillatoria del processo transitorio nel circuito di carico (Figura 3, c).

Riso. 3. Metodi per la commutazione artificiale dei tiristori: a) — mediante condensatore carico C; b) — mediante scarica oscillatoria del circuito LC; c) — a causa della natura fluttuante del carico

Quando si passa secondo lo schema in fig. 3 e collegando un condensatore di commutazione di polarità inversa, per esempio ad un altro tiristore ausiliario, lo farà scaricare sul tiristore principale conduttore. Poiché la corrente di scarica del condensatore è diretta contro la corrente diretta del tiristore, quest'ultimo diminuisce a zero e il tiristore si spegne.

Nello schema di fig. 3, b, il collegamento del circuito LC provoca una scarica oscillante del condensatore di commutazione CK.In questo caso, all'inizio, la corrente di scarica scorre attraverso il tiristore opposto alla sua corrente diretta, quando diventano uguali, il tiristore si spegne. Inoltre, la corrente del circuito LC passa dal tiristore VS al diodo VD. Quando la corrente di anello scorre attraverso il diodo VD, al tiristore VS verrà applicata una tensione inversa pari alla caduta di tensione attraverso il diodo aperto.

Nello schema di fig. 3, il collegamento di un tiristore VS a un carico RLC complesso causerà un transitorio. Con determinati parametri del carico, questo processo può avere un carattere oscillatorio con un cambiamento nella polarità della corrente di carico in. In questo caso, dopo aver spento il tiristore VS, si accende il diodo VD, che inizia a condurre una corrente di polarità opposta. A volte questo metodo di commutazione è chiamato quasi naturale perché comporta un cambiamento nella polarità della corrente di carico.

Tiristore CA

Quando il tiristore è collegato al circuito CA, sono possibili le seguenti operazioni:

• accensione e spegnimento del circuito elettrico con carico attivo e attivo-reattivo;

• variazione dei valori di corrente media ed effettiva attraverso il carico dovuto al fatto che è possibile regolare la temporizzazione del segnale di controllo.

Poiché l'interruttore a tiristori è in grado di condurre corrente elettrica in una sola direzione, per l'uso di tiristori a corrente alternata viene utilizzata la loro connessione parallela (Fig. 4, a).

Riso. 4. Collegamento antiparallelo dei tiristori (a) e forma della corrente con un carico attivo (b)

Media e corrente efficace variare a causa di un cambiamento nel tempo in cui i segnali di apertura vengono applicati ai tiristori VS1 e VS2, cioè cambiando l'angolo e (Fig. 4, b).I valori di questo angolo per i tiristori VS1 e VS2 durante la regolazione vengono modificati contemporaneamente dal sistema di controllo. L'angolo è chiamato angolo di controllo o angolo di accensione del tiristore.

I più utilizzati nei dispositivi elettronici di potenza sono la fase (Fig. 4, a, b) e il controllo a tiristori con ampiezza dell'impulso (Fig. 4, c).

Riso. 5. Tipo di tensione di carico a: a) — controllo di fase del tiristore; b) — controllo di fase di un tiristore a commutazione forzata; c) - controllo tiristore ampiezza impulso

Con il metodo di fase del controllo del tiristore con commutazione forzata, la regolazione della corrente di carico è possibile sia modificando l'angolo ? che l'angolo ?... La commutazione artificiale viene eseguita utilizzando nodi speciali o utilizzando tiristori completamente controllati (bloccanti).

Con il controllo dell'ampiezza dell'impulso (modulazione dell'ampiezza dell'impulso - PWM) durante Totkr, viene applicato un segnale di controllo ai tiristori, sono aperti e la tensione Un viene applicata al carico. Durante il tempo Tacr, il segnale di controllo è assente ei tiristori sono in uno stato di non conduzione. Valore efficace della corrente nel carico

dove In.m. — corrente di carico a Tcl = 0.

La curva di corrente nel carico con controllo di fase dei tiristori non è sinusoidale, il che provoca una distorsione della forma della tensione della rete di alimentazione e disturbi nel lavoro dei consumatori sensibili ai disturbi ad alta frequenza - il cosiddetto si verifica. Incompatibilità elettromagnetica.

Tiristori bloccanti

I tiristori sono gli interruttori elettronici più potenti utilizzati per commutare circuiti ad alta tensione e alta corrente (alta corrente).Tuttavia, hanno uno svantaggio significativo: la controllabilità incompleta, che si manifesta nel fatto che per spegnerli è necessario creare le condizioni per ridurre a zero la corrente diretta. Questo in molti casi limita e complica l'uso dei tiristori.

Per eliminare questo inconveniente, sono stati sviluppati tiristori che sono bloccati da un segnale dall'elettrodo di controllo G. Tali tiristori sono chiamati tiristori gate-off (GTO) o doppia operazione.

I tiristori bloccanti (ZT) hanno una struttura p-p-p-p a quattro strati, ma allo stesso tempo hanno una serie di caratteristiche di progettazione significative che conferiscono loro un aspetto completamente diverso dai tiristori tradizionali: la proprietà della piena controllabilità. La caratteristica I-V statica dei tiristori di spegnimento nella direzione in avanti è identica alla caratteristica I-V dei tiristori convenzionali. Tuttavia, il tiristore lock-in di solito non è in grado di bloccare grandi tensioni inverse ed è spesso collegato a un diodo antiparallelo. Inoltre, i tiristori lock-in sono caratterizzati da significative cadute di tensione diretta. Per disattivare il tiristore di blocco è necessario applicare al circuito dell'elettrodo di chiusura un potente impulso di corrente negativa (circa 1:5 rispetto al valore della corrente costante di spegnimento), ma di breve durata (10- 100 ms).

I tiristori lock-in hanno anche tensioni e correnti di interruzione inferiori (di circa il 20-30%) rispetto ai tiristori convenzionali.

I principali tipi di tiristori

Ad eccezione dei tiristori lock-in, è stata sviluppata un'ampia gamma di tiristori di vario tipo, che differiscono per velocità, processi di controllo, direzione delle correnti nello stato di conduzione, ecc.Tra questi, vanno segnalati i seguenti tipi:

• diodo a tiristore, che è equivalente a un tiristore con un diodo collegato in antiparallelo (Fig. 6.12, a);

• tiristore a diodi (dynistor), che passa a uno stato conduttivo quando viene superato un certo livello di tensione, applicato tra A e C (Fig. 6, b);

• tiristore di blocco (Fig. 6.12, c);

• tiristore simmetrico o triac, che equivale a due tiristori collegati in antiparallelo (Fig. 6.12, d);

• tiristore inverter ad alta velocità (tempo di spegnimento 5-50 μs);

• tiristore di campo, ad esempio, basato su una combinazione di un transistor MOS con un tiristore;

• tiristore ottico controllato dal flusso luminoso.

Riso. 6. Designazione grafica convenzionale dei tiristori: a) — diodo tiristore; b) — diodo tiristore (dynistor); c) — tiristore di bloccaggio; d) — triac

Protezione tiristore

I tiristori sono dispositivi critici per la velocità di aumento della corrente diretta diA/dt e la caduta di tensione duAC/dt. I tiristori, come i diodi, sono caratterizzati dal fenomeno della corrente di recupero inversa, il cui brusco abbassamento a zero aggrava la possibilità di sovratensioni con un valore duAC/dt elevato. Tali sovratensioni sono il risultato di un'improvvisa interruzione della corrente negli elementi induttivi del circuito, incluso piccole induttanze installazione. Pertanto, per proteggere i tiristori vengono solitamente utilizzati vari schemi CFTCP, che nelle modalità dinamiche forniscono protezione da valori inaccettabili di diA / dt e duAC / dt.

Nella maggior parte dei casi, la resistenza induttiva interna delle sorgenti di tensione incluse nel circuito del tiristore incluso è sufficiente affinché non venga introdotta alcuna induttanza aggiuntiva LS.Pertanto, in pratica, vi è spesso la necessità di CFT che riducano il livello e la velocità di intervento delle sovratensioni (Fig. 7).

Riso. 7. Tipico circuito di protezione a tiristori

A tale scopo vengono solitamente utilizzati circuiti RC collegati in parallelo con il tiristore. Esistono varie modifiche circuitali dei circuiti RC e metodi per calcolare i loro parametri per diverse condizioni di utilizzo dei tiristori.

Per i tiristori lock-in, i circuiti vengono utilizzati per formare un percorso di commutazione, simile nel circuito ai transistor CFTT.