Tyrystory: zasada działania, budowa, rodzaje i metody włączania

Zasada działania tyrystora

Tyrystor to energoelektroniczny, nie w pełni sterowalny przełącznik. Dlatego czasami w literaturze technicznej nazywany jest tyrystorem pojedynczego działania, który można przełączyć w stan przewodzenia tylko sygnałem sterującym, tj. można go włączyć. Aby go wyłączyć (w trybie prądu stałego), należy podjąć specjalne środki, aby prąd stały spadł do zera.

Przełącznik tyrystorowy może przewodzić prąd tylko w jednym kierunku, aw stanie zamkniętym jest w stanie wytrzymać zarówno napięcie do przodu, jak i do tyłu.

Tyrystor ma czterowarstwową strukturę p-n-p-n z trzema wyprowadzeniami: anodą (A), katodą (C) i bramką (G), co pokazano na rys. 1

Ryż. 1. Tyrystor konwencjonalny: a) — konwencjonalne oznaczenie graficzne; b) — charakterystyka woltowo-amperowa.

na ryc. 1b przedstawia rodzinę wyjściowych charakterystyk statycznych I — V przy różnych wartościach prądu sterującego iG. Ograniczające napięcie przewodzenia, które tyrystor może wytrzymać bez włączania, ma maksymalne wartości przy iG = 0.Wraz ze wzrostem prądu iG zmniejsza napięcie, które może wytrzymać tyrystor. Stan włączenia tyrystora odpowiada gałęzi II, stan wyłączenia odpowiada gałęzi I, a proces przełączania odpowiada gałęzi III. Prąd trzymania lub prąd trzymania jest równy minimalnemu dopuszczalnemu prądowi przewodzenia iA, przy którym tyrystor nadal przewodzi. Wartość ta odpowiada również minimalnej możliwej wartości spadku napięcia przewodzenia na tyrystorze włączonym.

Gałąź IV przedstawia zależność prądu upływu od napięcia wstecznego. Gdy napięcie wsteczne przekroczy wartość UBO, rozpoczyna się gwałtowny wzrost prądu wstecznego, związany z awarią tyrystora. Charakter przebicia może odpowiadać procesowi nieodwracalnemu lub lawinowemu procesowi przebicia, nierozerwalnie związanemu z działaniem półprzewodnikowej diody Zenera.

Tyrystory to najpotężniejsze przełączniki elektroniczne, zdolne do przełączania obwodów o napięciu do 5 kV i prądzie do 5 kA przy częstotliwości nie większej niż 1 kHz.

Projekt tyrystorów pokazano na ryc. 2.

Ryż. 2. Konstrukcja skrzynek tyrystorowych: a) — tabliczka; b) — szpilka

Tyrystor prądu stałego

Konwencjonalny tyrystor jest włączany przez podanie impulsu prądu do obwodu sterującego z dodatnią biegunowością względem katody. Na czas trwania stanu nieustalonego podczas włączania istotny wpływ ma charakter obciążenia (aktywne, indukcyjne itp.), amplituda i szybkość narastania impulsu prądu sterującego iG, temperatura struktury półprzewodnikowej tyrystora, przyłożone napięcie i prąd obciążenia.W obwodzie zawierającym tyrystor nie powinno być niedopuszczalnych wartości szybkości narastania napięcia przewodzenia duAC/dt, przy których może nastąpić samoczynne zadziałanie tyrystora przy braku sygnału sterującego iG i szybkości wzrost od obecnego diA / dt. Jednocześnie nachylenie sygnału sterującego musi być wysokie.

Wśród sposobów wyłączania tyrystorów zwyczajowo rozróżnia się naturalne wyłączanie (lub naturalne przełączanie) i wymuszone (lub sztuczne przełączanie). Komutacja naturalna występuje, gdy tyrystory pracują w obwodach przemiennych w momencie, gdy prąd spada do zera.

Metody wymuszonego przełączania są bardzo zróżnicowane.Najbardziej typowe z nich to: połączenie wstępnie naładowanego kondensatora C z przełącznikiem S (ryc. 3, a); połączenie obwodu LC ze wstępnie naładowanym kondensatorem CK (rysunek 3 b); wykorzystanie oscylacyjnego charakteru procesu przejściowego w obwodzie obciążenia (ryc. 3, c).

Ryż. 3. Metody sztucznego przełączania tyrystorów: a) — za pomocą naładowanego kondensatora C; b) — za pomocą wyładowania oscylacyjnego obwodu LC; c) — ze względu na zmienny charakter ładunku

Podczas przełączania zgodnie ze schematem na ryc. 3 i podłączenie kondensatora przełączającego o odwrotnej polaryzacji, na przykład do innego tyrystora pomocniczego, spowoduje jego rozładowanie do przewodzącego tyrystora głównego. Ponieważ prąd rozładowania kondensatora jest skierowany przeciwko prądowi przewodzenia tyrystora, ten ostatni spada do zera i tyrystor wyłącza się.

Na schemacie rys. 3, b, połączenie obwodu LC powoduje oscylacyjne rozładowanie kondensatora przełączającego CK.W tym przypadku na początku prąd rozładowania przepływa przez tyrystor przeciwnie do jego prądu przewodzenia, gdy stają się one równe, tyrystor wyłącza się. Ponadto prąd obwodu LC przechodzi z tyrystora VS do diody VD. Gdy prąd pętli przepływa przez diodę VD, napięcie wsteczne równe spadkowi napięcia na otwartej diodzie zostanie przyłożone do tyrystora VS.

Na schemacie rys. 3, podłączenie tyrystora VS do złożonego obciążenia RLC spowoduje stan przejściowy. Przy pewnych parametrach obciążenia proces ten może mieć charakter oscylacyjny ze zmianą polaryzacji prądu obciążenia w. W tym przypadku po wyłączeniu tyrystora VS włącza się dioda VD, która zaczyna przewodzić prąd o wartości przeciwna polaryzacja. Czasami ten sposób przełączania nazywany jest quasi-naturalnym, ponieważ polega na zmianie biegunowości prądu obciążenia.

Tyrystor AC

Gdy tyrystor jest podłączony do obwodu prądu przemiennego, możliwe są następujące operacje:

• załączanie i wyłączanie obwodu elektrycznego z obciążeniem czynnym i czynno-biernym;

• zmiana średnich i efektywnych wartości prądu przez obciążenie dzięki możliwości regulacji czasu sygnału sterującego.

Ponieważ przełącznik tyrystorowy może przewodzić prąd elektryczny tylko w jednym kierunku, wówczas do zastosowania tyrystorów prądu przemiennego stosuje się ich połączenie równoległe (ryc. 4, a).

Ryż. 4. Antyrównoległe połączenie tyrystorów (a) i kształt prądu przy obciążeniu czynnym (b)

Średnia i prąd skuteczny zmieniają się ze względu na zmianę czasu, w którym sygnały otwarcia są podawane na tyrystory VS1 i VS2, tj. zmieniając kąt i (ryc. 4, b).Wartości tego kąta dla tyrystorów VS1 i VS2 podczas regulacji są jednocześnie zmieniane przez układ sterowania. Kąt ten nazywany jest kątem sterowania lub kątem zapłonu tyrystora.

Najczęściej stosowane w urządzeniach energoelektronicznych to sterowanie fazowe (ryc. 4, a, b) i tyrystorowe z szerokością impulsu (ryc. 4, c).

Ryż. 5. Rodzaj napięcia obciążenia przy: a) — sterowaniu fazowym tyrystora; b) — sterowanie fazowe tyrystora z komutacją wymuszoną; c) — tyrystorowe sterowanie szerokością impulsu

Dzięki fazowej metodzie sterowania tyrystorowego z wymuszoną komutacją regulacja prądu obciążenia jest możliwa zarówno poprzez zmianę kąta ?, jak i kąta?... Sztuczne przełączanie odbywa się za pomocą specjalnych węzłów lub przy użyciu w pełni sterowanych (blokujących) tyrystorów.

W przypadku sterowania szerokością impulsu (modulacja szerokości impulsu — PWM) podczas Totkr do tyrystorów podawany jest sygnał sterujący, są one otwarte, a do obciążenia przykładane jest napięcie Un. W czasie Tacr sygnał sterujący jest nieobecny, a tyrystory są w stanie nieprzewodzącym. Wartość skuteczna prądu w obciążeniu

gdzie Inm. — prąd obciążenia przy Tcl = 0.

Krzywa prądu w obciążeniu ze sterowaniem fazowym tyrystorów jest niesinusoidalna, co powoduje zniekształcenie kształtu napięcia sieci zasilającej oraz zakłócenia w pracy odbiorników wrażliwych na zakłócenia o wysokiej częstotliwości – występuje tzw. Niezgodność elektromagnetyczna.

Blokowanie tyrystorów

Tyrystory to najpotężniejsze przełączniki elektroniczne używane do przełączania obwodów wysokiego napięcia i wysokiego prądu (wysokoprądowego).Mają jednak istotną wadę - niepełną sterowalność, która przejawia się w tym, że aby je wyłączyć, konieczne jest stworzenie warunków do zmniejszenia prądu przewodzenia do zera. To w wielu przypadkach ogranicza i komplikuje stosowanie tyrystorów.

Aby wyeliminować tę wadę, opracowano tyrystory, które są blokowane sygnałem z elektrody sterującej G. Takie tyrystory nazywane są tyrystorami z bramką (GTO) lub podwójnym działaniem.

Tyrystory blokujące (ZT) mają czterowarstwową budowę p-p-p-p, ale jednocześnie posiadają szereg istotnych cech konstrukcyjnych, które nadają im całkowicie odmienną od tradycyjnych tyrystorów właściwość pełnej sterowalności. Statyczna charakterystyka I-V tyrystorów wyłączających w kierunku do przodu jest identyczna z charakterystyką I-V konwencjonalnych tyrystorów. Jednak tyrystor blokujący zwykle nie jest w stanie blokować dużych napięć wstecznych i często jest podłączony do diody przeciwrównoległej. Ponadto tyrystory blokujące charakteryzują się znacznymi spadkami napięcia w kierunku przewodzenia. Aby wyłączyć tyrystor blokujący, konieczne jest zastosowanie silnego impulsu prądu ujemnego (około 1: 5 w stosunku do wartości stałego prądu wyłączenia) do obwodu elektrody zamykającej, ale o krótkim czasie trwania (10- 100 μs).

Tyrystory blokujące mają również niższe napięcia i prądy odcięcia (o około 20-30%) niż konwencjonalne tyrystory.

Główne typy tyrystorów

Z wyjątkiem tyrystorów blokujących opracowano szeroką gamę tyrystorów różnych typów, różniących się prędkością, procesami sterowania, kierunkiem prądów w stanie przewodzenia itp.Wśród nich należy zwrócić uwagę na następujące typy:

• dioda tyrystorowa, która jest odpowiednikiem tyrystora z diodą połączoną przeciwrównolegle (ryc. 6.12, a);

• tyrystor diodowy (dynistor), przełączający się w stan przewodzący po przekroczeniu określonego poziomu napięcia, zastosowany między A i C (ryc. 6, b);

• tyrystor blokujący (ryc. 6.12, c);

• symetryczny tyrystor lub triak, co odpowiada dwóm antyrównoległym tyrystorom (ryc. 6.12, d);

• szybki tyrystor falownika (czas wyłączenia 5-50 μs);

• tyrystor polowy, na przykład oparty na połączeniu tranzystora MOS z tyrystorem;

• tyrystor optyczny sterowany strumieniem świetlnym.

Ryż. 6. Konwencjonalne oznaczenie graficzne tyrystorów: a) — dioda tyrystorowa; b) — tyrystor diodowy (dynistor); c) — tyrystor blokujący; d) — triak

Zabezpieczenie tyrystorowe

Tyrystory są urządzeniami krytycznymi dla szybkości narastania prądu przewodzenia diA/dt i spadku napięcia duAC/dt. Tyrystory, podobnie jak diody, charakteryzują się zjawiskiem wstecznego prądu zwrotnego, którego gwałtowny spadek do zera potęguje możliwość wystąpienia przepięć o dużej wartości duAC/dt. Takie przepięcia są wynikiem nagłego przerwania prądu w elementach indukcyjnych obwodu, w tym małe indukcyjności instalacja. Dlatego do ochrony tyrystorów zwykle stosuje się różne schematy CFTCP, które w trybach dynamicznych zapewniają ochronę przed niedopuszczalnymi wartościami diA / dt i duAC / dt.

W większości przypadków wewnętrzna rezystancja indukcyjna źródeł napięcia wchodzących w skład obwodu zawartego tyrystora jest wystarczająca, aby nie wprowadzać dodatkowej indukcyjności LS.Dlatego w praktyce często potrzebne są CFT zmniejszające poziom i prędkość przepięć wyzwalających (rys. 7).

Ryż. 7. Typowy obwód zabezpieczający tyrystora

W tym celu zwykle stosuje się obwody RC połączone równolegle z tyrystorem. Istnieją różne modyfikacje obwodów RC oraz metody obliczania ich parametrów dla różnych warunków użytkowania tyrystorów.

W przypadku tyrystorów blokujących obwody są używane do tworzenia ścieżki przełączania, podobnej w obwodzie do tranzystorów CFTT.