Принцип деяния тиристора

Тиристор является силовым электрическим не стопроцентно управляемым ключом. Потому время от времени в технической литературе его именуют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться исключительно в проводящее состояние, т. е. врубаться. Для его выключения (при работе на неизменном токе) нужно принимать особые меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.

Тиристорный ключ может проводить ток исключительно в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и оборотное напряжение.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с 3-мя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1

Рис. 1. Обыденный тиристор: a) – условно-графическое обозначение; б) – вольтамперная черта.

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при разных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет наибольшие значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, понижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток либо ток удержания равен мало допустимому значению прямого тока iA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует мало вероятное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре .

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от оборотного напряжения. При превышении оборотным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание оборотного тока, связанное с пробоем тиристора. Нрав пробоя может соответствовать необратимому процессу либо процессу лавинного пробоя, характерного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются более сильными электрическими ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте менее 1 кГц.

Конструктивное выполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Тиристор в цепи неизменного тока

Включение обыденного тиристора осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На продолжительность переходного процесса при включении существенное воздействие оказывают нрав нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно появляться недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высочайшей.

Посреди методов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (либо естественную коммутацию) и принудительное (либо искусственную коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Методы принудительной коммутации очень многообразны. Более свойственны из их последующие: подключение за ранее заряженного конденсатора С ключом S (рис 3, а); подключение LC-цепи с за ранее заряженным конденсатором CK (рис 3 б); внедрение колебательного нрава переходного процесса в цепи нагрузки (рис 3, в).

Рис. 3. Методы искусственной коммутации тиристоров: а) – средством заряженного конденсатора С; б) – средством колебательного разряда LC-контура; в) – за счёт колебательного нрава нагрузки

При коммутации по схеме на рис. 3,а подключение коммутирующего конденсатора с оборотной полярностью, к примеру другим вспомогательным тиристором, вызовет его разряд на проводящий основной тиристор. Потому что разрядный ток конденсатора ориентирован встречно прямому току тиристора, последний понижается до нуля и тиристор выключится.

В схеме на рис. 3,б подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего конденсатора Ск. При всем этом сначала разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Дальше ток LC-контура перебегает из тиристора VS в диодик VD. Пока через диодик VD протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено оборотное напряжение, равное падению напряжения на открытом диодике.

В схеме на рис. 3,в включение тиристора VS на всеохватывающую RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный нрав с конфигурацией полярности тока нагрузки iн. В данном случае после выключения тиристора VS происходит включение диодика VD, который начинает проводить ток обратной полярности. Время от времени этот метод коммутации именуется квазиестественным, потому что он связан с конфигурацией полярности тока нагрузки.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока может быть воплощение последующих операций:

• включение и отключение электронной цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

• изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Потому что тиристорный ключ способен проводить электронный ток исключительно в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 4,а).

Рис. 4. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б)

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт конфигурации момента подачи на тиристоры VS1 и VS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт конфигурации угла и (рис. 4,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 и VS2 при регулировании меняется сразу с помощью системы управления. Угол именуется углом управления либо углом отпирания тиристора.

Более обширное применение в силовых электрических аппаратах получили фазовое (рис. 4,а,б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 4,в).

Рис. 5. Вид напряжения на нагрузке при: а) – фазовом управлении тиристором; б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией; в) – широтно-импульсном управлении тиристором

При фазовом способе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки может быть как за счёт конфигурации угла α, так и угла θ. Искусственная коммутация осуществляется при помощи особых узлов либо при использовании стопроцентно управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к частотным помехам – появляется так именуемая электрическая несопоставимость.

Запираемые тиристоры

Тиристоры являются более сильными электрическими ключами, применяемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных (сильнотоковых) цепей. Но они имеют значимый недочет – неполную маневренность, которая проявляется в том, что для их выключения нужно сделать условия понижения прямого тока до нуля. Это в почти всех случаях ограничивает и усложняет внедрение тиристоров.

Для устранения этого недочета разработаны тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду G. Такие тиристоры именуют запираемыми (GTO – Gate turn-off thyristor) либо двухоперационными.

Запираемые тиристоры (ЗТ) имеют четырехслойную р-п-р-п структуру, но в то же время владеют рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципно хорошее от обычных тиристоров – свойство полной маневренности. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении схожа ВАХ обыденных тиристоров. Но перекрыть огромные оборотные напряжения запираемый тиристор обычно не способен и нередко соединяется со встречно-параллельно включенным диодиком. Не считая того, для запираемых тиристоров свойственны значимые падения прямого напряжения. Для выключения запираемого тиристора нужно подать в цепь управляющего электрода мощнейший импульс отрицательного тока (приблизительно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но недлинной продолжительности (10-100 мкс).

Запираемые тиристоры также имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (приблизительно на 20-30 %) по сопоставлению с обыкновенными тиристорами.

Главные типы тиристоров

Не считая запираемых тиристоров разработана широкая палитра тиристоров разных типов, отличающихся быстродействием, процессами управления, направлением токов в проводящем состоянии и т.д. Посреди их необходимо подчеркнуть последующие типы:

• тиристор-диод, который эквивалентен тиристору со встречно-параллельно включенным диодиком (рис. 6.12,a);

• диодный тиристор (динистор), переходящий в проводящее состояние при превышении определённого уровня напряжения, приложенного меж А и С (рис. 6,b);

• запираемый тиристор (рис. 6.12,c);

• симметричный тиристор либо симистор, который эквивалентен двум встречно-параллельно включенным тиристорам (рис. 6.12,d);

• быстродействующий инверторный тиристор (время выключения 5-50 мкс);

• тиристор с полевым управлением по управляющему электроду, к примеру, на базе композиции МОП-транзистора с тиристором;

• оптотиристор, управляемый световым потоком.

Рис. 6. Условно-графическое обозначение тиристоров: a) – тиристор-диод; b) – диодный тиристор (динистор); c) – запираемый тиристор; d) — симистор

Защита тиристоров

Тиристоры являются устройствами, критическими к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам, как и диодикам, присуще явление протекания оборотного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля ухудшает возможность появления перенапряжений с высочайшим значением duAC/dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа. Потому для защиты тиристоров обычно употребляют разные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах производят защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

Почти всегда внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтоб не вводить дополнительную индуктивность LS . Потому на практике почаще появляется необходимость в ЦФТП, снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении (рис. 7).

Для этой цели обычно употребляют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Есть разные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их характеристик для различных критерий использования тиристоров.

Для запираемых тиристоров используются цепи формирования линии движения переключения, подобных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.