Thyristors: prinsipyo ng pagpapatakbo, disenyo, mga uri at pamamaraan ng pagsasama

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng thyristor

Ang thyristor ay isang power electronic, hindi ganap na nakokontrol na switch. Samakatuwid, kung minsan sa teknikal na panitikan ito ay tinatawag na isang single-operation thyristor, na maaaring ilipat sa isang estado ng pagsasagawa lamang ng isang control signal, i.e. maaari itong i-on. Upang i-off ito (sa direktang kasalukuyang operasyon), ang mga espesyal na hakbang ay dapat gawin upang matiyak na ang direktang kasalukuyang ay bumaba sa zero.

Ang isang thyristor switch ay maaari lamang magsagawa ng kasalukuyang sa isang direksyon, at sa saradong estado ito ay makatiis sa parehong pasulong at reverse boltahe.

Ang thyristor ay may apat na layer na p-n-p-n na istraktura na may tatlong lead: Anode (A), Cathode (C) at Gate (G), na ipinapakita sa Fig. 1

kanin. 1. Conventional thyristor: a) — conventional graphic designation; b) - katangian ng volt-ampere.

Sa fig. Ang 1b ay nagpapakita ng isang pamilya ng mga static na output na I — V na mga katangian sa iba't ibang mga halaga ng kasalukuyang kontrol na iG. Ang paglilimita ng pasulong na boltahe na maaaring mapaglabanan ng thyristor nang hindi ito i-on ay may pinakamataas na halaga sa iG = 0.Habang tumataas ang kasalukuyang, binabawasan ng iG ang boltahe na kayang tiisin ng thyristor. Ang on state ng thyristor ay tumutugma sa branch II, ang off state ay tumutugma sa branch I, at ang switching process ay tumutugma sa branch III. Ang hawak na kasalukuyang o hawak na kasalukuyang ay katumbas ng pinakamababang pinahihintulutang pasulong na kasalukuyang iA kung saan ang thyristor ay nananatiling gumagana. Ang halagang ito ay tumutugma din sa pinakamababang posibleng halaga ng pasulong na pagbaba ng boltahe sa buong on thyristor.

Ang Sangay IV ay kumakatawan sa pag-asa ng kasalukuyang pagtagas sa reverse boltahe. Kapag ang reverse boltahe ay lumampas sa halaga ng UBO, ang isang matalim na pagtaas sa reverse kasalukuyang ay nagsisimula, na nauugnay sa pagkabigo ng thyristor. Ang likas na katangian ng pagkasira ay maaaring tumutugma sa isang hindi maibabalik na proseso o isang proseso ng pagkasira ng avalanche na likas sa pagpapatakbo ng isang semiconductor zener diode.

Ang mga thyristor ay ang pinakamalakas na electronic switch, na may kakayahang lumipat ng mga circuit na may mga boltahe hanggang 5 kV at mga alon hanggang 5 kA sa dalas na hindi hihigit sa 1 kHz.

Ang disenyo ng thyristors ay ipinapakita sa fig. 2.

kanin. 2. Ang disenyo ng mga thyristor box: a) - tablet; b) - isang pin

DC thyristor

Ang isang maginoo na thyristor ay naka-on sa pamamagitan ng paglalagay ng kasalukuyang pulso sa control circuit na may positibong polarity na may kaugnayan sa cathode. Ang tagal ng lumilipas sa panahon ng pag-on ay makabuluhang naaapektuhan ng likas na katangian ng pag-load (aktibo, pasaklaw, atbp.), Ang amplitude at rate ng pagtaas ng kasalukuyang kontrol pulse iG, ang temperatura ng istraktura ng semiconductor ng thyristor, ang inilapat na boltahe at kasalukuyang pagkarga.Sa isang circuit na naglalaman ng isang thyristor, dapat na walang hindi katanggap-tanggap na mga halaga ng rate ng pagtaas ng pasulong na boltahe duAC / dt, kung saan ang kusang pag-activate ng thyristor ay maaaring mangyari sa kawalan ng control signal iG at ang rate ng tumaas mula sa kasalukuyang diA / dt. Kasabay nito, dapat na mataas ang slope ng control signal.

Kabilang sa mga paraan upang i-off ang thyristors, kaugalian na makilala sa pagitan ng natural na turn-off (o natural na paglipat) at sapilitang (o artipisyal na paglipat). Ang natural na commutation ay nangyayari kapag ang mga thyristor ay gumagana sa mga alternating circuit sa sandaling ang kasalukuyang ay bumaba sa zero.

Ang mga paraan ng sapilitang paglipat ay napaka-magkakaibang. Ang pinaka-karaniwan sa mga ito ay ang mga sumusunod: pagkonekta sa isang pre-charged capacitor C na may switch S (Figure 3, a); pagkonekta ng LC circuit na may pre-charged capacitor na CK (Larawan 3 b); ang paggamit ng oscillatory na katangian ng lumilipas na proseso sa load circuit (Figure 3, c).

kanin. 3. Mga pamamaraan para sa artipisyal na paglipat ng mga thyristor: a) - sa pamamagitan ng sisingilin na kapasitor C; b) — sa pamamagitan ng oscillatory discharge ng LC circuit; c) — dahil sa pabagu-bagong katangian ng load

Kapag lumilipat ayon sa diagram sa fig. 3 at pagkonekta ng switching capacitor ng reverse polarity, halimbawa sa isa pang auxiliary thyristor, ay magiging sanhi ng pagdiskarga nito sa conducting main thyristor. Dahil ang kasalukuyang naglalabas ng kapasitor ay nakadirekta laban sa pasulong na kasalukuyang ng thyristor, ang huli ay bumababa sa zero at ang thyristor ay lumiliko.

Sa diagram ng fig. 3, b, ang koneksyon ng LC circuit ay nagdudulot ng oscillating discharge ng switching capacitor CK.Sa kasong ito, sa simula, ang kasalukuyang naglalabas ay dumadaloy sa thyristor na kabaligtaran sa pasulong na kasalukuyang, kapag sila ay naging pantay, ang thyristor ay lumiliko. Bilang karagdagan, ang kasalukuyang ng LC-circuit ay pumasa mula sa thyristor VS hanggang sa diode VD. Habang dumadaloy ang kasalukuyang loop sa diode VD, ang isang reverse boltahe na katumbas ng pagbaba ng boltahe sa bukas na diode ay ilalapat sa thyristor VS.

Sa diagram ng fig. 3, ang pagkonekta ng thyristor VS sa isang kumplikadong RLC load ay magdudulot ng lumilipas. Sa ilang mga parameter ng pag-load, ang prosesong ito ay maaaring magkaroon ng isang oscillatory character na may pagbabago sa polarity ng load current in. Sa kasong ito, pagkatapos patayin ang thyristor VS, ang diode VD ay lumiliko, na nagsisimulang magsagawa ng kasalukuyang ng kabaligtaran polarity. Minsan ang pamamaraang ito ng paglipat ay tinatawag na quasi-natural dahil ito ay nagsasangkot ng pagbabago sa polarity ng kasalukuyang load.

AC thyristor

Kapag nakakonekta ang thyristor sa AC circuit, posible ang mga sumusunod na operasyon:

• pag-on at off ng electric circuit na may active at active-reactive load;

• pagbabago sa average at epektibong kasalukuyang mga halaga sa pamamagitan ng pagkarga dahil sa ang katunayan na posible na ayusin ang tiyempo ng control signal.

Dahil ang switch ng thyristor ay may kakayahang magsagawa ng electric current sa isang direksyon lamang, pagkatapos ay para sa paggamit ng alternating current thyristors, ang kanilang parallel na koneksyon ay ginagamit (Larawan 4, a).

kanin. 4. Anti-parallel na koneksyon ng thyristors (a) at ang hugis ng kasalukuyang may aktibong load (b)

Karaniwan at epektibong kasalukuyang nag-iiba dahil sa pagbabago sa oras kung kailan inilalapat ang mga pagbubukas ng signal sa thyristors VS1 at VS2, i.e. sa pamamagitan ng pagbabago ng anggulo at (Larawan 4, b).Ang mga halaga ng anggulong ito para sa thyristors VS1 at VS2 sa panahon ng regulasyon ay sabay na binago ng control system. Ang anggulo ay tinatawag na anggulo ng kontrol o anggulo ng pagpapaputok ng thyristor.

Ang pinaka-tinatanggap na ginagamit sa mga power electronic device ay phase (Fig. 4, a, b) at thyristor control na may lapad ng pulse (Fig. 4, c).

kanin. 5. Uri ng load voltage sa: a) — phase control ng thyristor; b) — phase control ng isang thyristor na may sapilitang pag-commutation; c) - kontrol ng thyristor sa lapad ng pulso

Gamit ang phase method ng thyristor control na may forced commutation, ang regulasyon ng load current ay posible pareho sa pamamagitan ng pagpapalit ng anggulo ? at angle ?... Ang artipisyal na paglipat ay isinasagawa gamit ang mga espesyal na node o gamit ang ganap na kinokontrol (locking) thyristors.

Sa pamamagitan ng kontrol sa lapad ng pulso (pulse width modulation — PWM) sa panahon ng Totkr, ang isang control signal ay inilalapat sa mga thyristor, sila ay bukas at ang boltahe Un ay inilalapat sa pagkarga. Sa oras ng Tacr, wala ang control signal at ang thyristors ay nasa non-conducting state. RMS value ng kasalukuyang nasa load

kung saan In.m. — load current sa Tcl = 0.

Ang kasalukuyang curve sa load na may phase control ng thyristors ay non-sinusoidal, na nagiging sanhi ng pagbaluktot ng hugis ng boltahe ng network ng supply at mga kaguluhan sa gawain ng mga mamimili na sensitibo sa mga kaguluhan sa mataas na dalas - ang tinatawag na nangyayari. Electromagnetic incompatibility.

Pag-lock ng mga thyristor

Ang mga thyristor ay ang pinakamakapangyarihang electronic switch na ginagamit upang lumipat ng mataas na boltahe, mataas na kasalukuyang (mataas na kasalukuyang) circuit.Gayunpaman, mayroon silang isang makabuluhang disbentaha - hindi kumpletong pagkontrol, na ipinakita sa katotohanan na upang i-off ang mga ito, kinakailangan upang lumikha ng mga kondisyon para sa pagbawas ng pasulong na kasalukuyang sa zero. Ito sa maraming mga kaso ay nililimitahan at nagpapalubha sa paggamit ng mga thyristor.

Upang maalis ang disbentaha na ito, ang mga thyristor ay binuo na naka-lock ng isang senyas mula sa control electrode G. Ang mga naturang thyristor ay tinatawag na gate-off thyristors (GTO) o dual-operation.

Ang pag-lock ng thyristors (ZT) ay may apat na layer na p-p-p-p na istraktura, ngunit sa parehong oras ay may isang bilang ng mga makabuluhang tampok ng disenyo na nagbibigay sa kanila ng isang ganap na naiiba mula sa tradisyonal na thyristors - ang pag-aari ng ganap na kontrol. Ang static na katangian ng I-V ng mga turn-off na thyristor sa pasulong na direksyon ay kapareho ng katangian ng I-V ng mga maginoo na thyristor. Gayunpaman, ang lock-in thyristor ay kadalasang hindi nakaka-block ng malalaking reverse voltages at kadalasang nakakonekta sa isang anti-parallel diode. Bilang karagdagan, ang lock-in thyristors ay nailalarawan sa pamamagitan ng makabuluhang pasulong na pagbagsak ng boltahe. Upang patayin ang locking thyristor, kinakailangan na mag-aplay ng isang malakas na pulso ng negatibong kasalukuyang (humigit-kumulang 1: 5 na may kaugnayan sa halaga ng pare-pareho ang kasalukuyang off) sa circuit ng pagsasara ng elektrod, ngunit may maikling tagal (10- 100 μs).

Ang mga lock-in na thyristor ay mayroon ding mas mababang cutoff na boltahe at agos (sa pamamagitan ng humigit-kumulang 20-30%) kaysa sa mga karaniwang thyristor.

Ang mga pangunahing uri ng thyristors

Maliban sa mga lock-in thyristors, isang malawak na hanay ng mga thyristor ng iba't ibang uri ang binuo, naiiba sa bilis, mga proseso ng kontrol, direksyon ng mga alon sa estado ng pagsasagawa, atbp.Kabilang sa mga ito, ang mga sumusunod na uri ay dapat tandaan:

• thyristor diode, na katumbas ng isang thyristor na may antiparallel na konektadong diode (Larawan 6.12, a);

• diode thyristor (dynistor), lumilipat sa isang conductive state kapag ang isang tiyak na antas ng boltahe ay lumampas, inilapat sa pagitan ng A at C (Larawan 6, b);

• pag-lock ng thyristor (Larawan 6.12, c);

• simetriko thyristor o triac, na katumbas ng dalawang antiparallel na konektadong thyristor (Larawan 6.12, d);

• high-speed inverter thyristor (off time 5-50 μs);

• field thyristor, halimbawa, batay sa isang kumbinasyon ng isang MOS transistor na may isang thyristor;

• optical thyristor na kinokontrol ng light flux.

kanin. 6. Maginoo graphic na pagtatalaga ng thyristors: a) - thyristor diode; b) - diode thyristor (dynistor); c) - pag-lock ng thyristor; d) - triac

Proteksyon ng thyristor

Ang mga thyristor ay mga kritikal na aparato para sa rate ng pagtaas ng pasulong na kasalukuyang diA / dt at ang pagbaba ng boltahe duAC / dt. Ang mga thyristor, tulad ng mga diode, ay nailalarawan sa pamamagitan ng hindi pangkaraniwang bagay ng reverse recovery current, na ang matalim na pagbaba sa zero ay nagpapalubha sa posibilidad ng mga overvoltage na may mataas na halaga ng duAC / dt. Ang ganitong mga overvoltage ay ang resulta ng isang biglaang pagkagambala ng kasalukuyang sa mga inductive na elemento ng circuit, kabilang ang maliliit na inductance pag-install. Samakatuwid, ang iba't ibang mga scheme ng CFTCP ay karaniwang ginagamit upang maprotektahan ang mga thyristor, na sa mga dynamic na mode ay nagbibigay ng proteksyon laban sa hindi katanggap-tanggap na mga halaga ng diA / dt at duAC / dt.

Sa karamihan ng mga kaso, ang panloob na inductive resistance ng mga pinagmumulan ng boltahe na kasama sa circuit ng kasama na thyristor ay sapat upang walang karagdagang inductance LS na ipinakilala.Samakatuwid, sa pagsasagawa, madalas na kailangan ang mga CFT na nagpapababa sa antas at bilis ng mga pag-alon ng tripping (Fig. 7).

kanin. 7. Karaniwang thyristor protection circuit

Ang mga RC circuit na konektado sa parallel sa thyristor ay karaniwang ginagamit para sa layuning ito. Mayroong iba't ibang mga pagbabago sa circuit ng mga RC circuit at mga pamamaraan ng pagkalkula ng kanilang mga parameter para sa iba't ibang mga kondisyon ng paggamit ng thyristors.

Para sa lock-in thyristors, ang mga circuit ay ginagamit upang bumuo ng switching path, katulad sa circuit sa CFTT transistors.