Способы запирания тиристоров

Как уже было показано выше, после включения тиристора он сам себя поддерживает во включенном состоянии за счет внутренней положительной обратной связи, а цепь управления становится неэффективной. Для выключения тиристора нужно каким-либо способом снизить его прямой ток до нуля на некоторый промежуток времени, определенный временем рассасывания неосновных носителей. Это в основном и отличает тиристор-прибор с частичной, неполной управляемостью от, например, транзистора – полностью управляемого прибора, который можно и включить и выключить по цепи управления (базовой цепи).

Выключение проводящего ток тиристора можно осуществлять различными способами. Проще всего выключать тиристор, если он работает в цепи переменного тока. Тогда под действием переменного напряжения питающей сети ток тиристора сам снижается до нуля и происходит его выключение (коммутация). Такой способ коммутации получил название естественной и широко применяется в силовых преобразовательных устройствах переменного тока. Сложнее обстоит дело в цепях постоянного тока.

Там необходимы специальные устройства, обеспечивающие принудительное выключение тиристора в нужный момент времени. Такие устройства называют узлами принудительной коммутации или просто коммутационными узлами. В основе построения коммутационных узлов лежат следующие способы:

4. Подключение параллельно тиристору источника коммутирующей ЭДС (рис. 5.10, д). Выключение тиристора осуществляется замыканием в нужный момент времени ключа K на короткий промежуток времени, определяемый временем рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника.

Описанными способами удается придать тиристору свойства полностью управляемого вентиля.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Запираемые тиристоры

Тиристор, способный не только открываться, но и закрываться под воздействием сигнала на управляющем электроде, называется запираемый тиристор. Условное графическое обозначение и схема замещения запираемого тиристора представлены на рис. 16.1.

а)	б)

Рис. 16.1. Запираемый тиристор:

а – условное графическое обозначение; б – схема замещения

Рассмотрим принцип работы запираемого тиристора, воспользовавшись схемой замещения. Согласно выражению (14.3) ток во внешней цепи зависит от коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2. Ток управления I_У, поступая на базу транзистора VT2, увеличивает для него ток базы и коэффициент передачи тока a₂. Тиристор открывается, когда 1 – (a₁+a₂) = 0. Более конкретно это описывается выражением

. (16.1)

Если теперь ток управления уменьшить до нуля (I_У = 0), тиристор останется открытым, при условии, что ток анода будет больше тока удержания.

Для закрывания тиристора на управляющий электрод необходимо подать напряжение отрицательной полярности. Тогда ток коллектора VT1 будет протекать по цепи управляющего электрода, а ток базы транзистора VT2 уменьшится, что приведёт к снижению коэффициентов передачи тока a₁ и a₂ и прекращению регенеративного процесса. Транзистор VT2 можно вывести из насыщения при условии

, (16.2)

где I_З – ток запирания тиристора по управляющему электроду.

Способность тиристора к запиранию по управляющему электроду характеризуется коэффициентом запирания

. (16.3)

Из выражения (16.3) следует, что коэффициент запирания зависит от коэффициентов передачи тока a₁ и a₂ и будет тем больше, чем больше a₂. Это означает, что чем меньше степень насыщения перехода П2 тиристора, тем легче его закрыть по сигналу управляющего электрода. Степень насыщения перехода П2 зависит от тока через тиристор в открытом состоянии, поэтому коэффициент запирания также будет зависеть от тока анода тиристора (рис. 16.2)

Рис. 16.2. Зависимость коэффициента запирания от тока анода

Схема управления запираемым тиристором должна формировать импульсы положительной (для открывания) и отрицательной (для закрывания) полярности относительно катода. Наиболее просто это можно сделать, если в цепь управляющего электрода включить конденсатор (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Простейшая схема управления запираемым тиристором

При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается через резистор R1, и на управляющий электрод тиристора поступает импульс положительной полярности. Когда процесс заряда конденсатора закончится, ток управляющего электрода станет равным нулю. Если теперь замкнуть ключ К, начнётся разряд конденсатора С через резистор R2, и на управляющий электрод тиристора поступит импульс отрицательной полярности. Чтобы произошло закрывание тиристора, необходимо выполнить условие

; , (16.4)

где U_З – напряжение на управляющем электроде, необходимое для запирания тиристора;

I_З – ток управляющего электрода, необходимый для запирания тиристора;

t_З – длительность запирающего импульса.

Существуют более сложные схемы управления, в которых для запирания тиристора применяется отдельный источник питания, а также специальные драйверы управления, как, например, в мощных запираемых тиристорах, сведения о которых можно прочитать в литературе [6, 11, 17].

16.2. Симметричные тиристоры – симисторы

Симиcтop (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC – triode for alternating current) – полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый в цепях переменного тока. Увеличив число полупроводниковых слоев тиристора с четырех до пяти получили прибор, способный пропускать электрический ток как в прямом, так и в обратном направлениях. Условное графическое обозначение и структура симистора представлены на рис. 16.4.

а)	б)	в)

Рис. 16.4. Симметричный тиристор – симистор

а – условное графическое обозначение; б – структура; в – вольтамперная характеристика

В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 (В1) или условным катодом, нижний — выводом 2 (В2) или условным анодом, вывод слева вверху – управляющим электродом УЭ. В открытом состоянии симистора, когда на В2 плюс, а на В1 минус, ток проходит по слоям p₂-n₃-p₄-n₅, при противоположной полярности – по слоям p₄-n₃-p₂-n₁. Поскольку управляющее напряжение подают на слой n, полярность импульсов должна быть отрицательной относительно вывода В1.

Вольтамперная характеристика симистора представлена на рис. 16.4, в.

Характеристика очень похожа на характеристику тиристора, но симметрична относительно начала координат. Для симисторов, как и для тиристоров, специально выбирают режим внешней цепи Е_А

Источник

Способы и схемы управления тиристором или симистором

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Содержание статьи

Определение

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Источник

Способы запирания тиристоров

Как уже сказано, для выключения тиристора нужно каким-либо способом снизить его прямой ток до нуля на некоторый промежуток времени, определенный временем рассасывания неосновных носителей. Это в основном и отличает тиристор – прибор с частичной, неполной управляемостью от, например, транзистора – полностью управляемого прибора, который можно и включить и выключить по цепи управления.

Выключение проводящего ток тиристора можно осуществлять различными способами. Проще всего выключать тиристор, если он работает в цепи переменного тока. Тогда под действием переменного напряжения питающей сети ток тиристора сам снижается до нуля и происходит его выключение (коммутация). Такой способ коммутации получил название естественной и широко применяется в силовых преобразовательных устройствах переменного тока. Сложнее обстоит дело в цепях постоянного тока. Там необходимы специальные устройства, обеспечивающие принудительное выключение тиристора в нужный момент времени. Такие устройства называют узлами искусственной (принудительной) коммутации. В основе построения коммутационных узлов лежат следующие способы:

1. Введение в цепь тиристора колебательных LC-контуров – последовательных или параллельных (рис. 7.6, а, б). Тиристор закрывается в момент перехода через нуль тока в колебательном контуре. Время включенного состояния коммутируемого тиристора определяется параметрами схемы искусственной коммутации и может быть изменено только изменением этих элементов, что сложно. Поэтому такой способ используется сравнительно редко и только в устройствах с т.н. частотно-импульсной модуляцией, когда длительность интервала проводимости тиристора постоянна, а регулируется частота их следования.

2.

Выключение тиристора путем изменения полярности напряжения между катодом и анодом. Для этого используют предварительно заряженный конденсатор, который в нужный момент времени подключают между анодом и катодом тиристора в запирающей полярности (рис. 7.6, в) путем замыкания ключа К.

Описанными способами удается придать тиристору свойства полностью управляемого вентиля, но схема сильно усложняется.

Разновидности тиристоров.

На основе обычных тиристоров созданы различные их разновидности, имеющие более узкое назначение. Наибольшее применение в практике нашли симметричные тиристоры, запираемые тиристоры и оптотиристоры. Их УГО показаны на рис. 7.7.

Симметричные тиристоры или короче симисторы (англ. аббревиатура TRIAC) представляют собой соединение структуры двух встречно включенных тиристоров в одном приборе с общим электродом управления. Если подать на управляющий электрод отпирающий сигнал, симистор включается при любой полярности напряжения, приложенного между силовыми электродами. Эти приборы используются для включения-отключения нагрузки и для фазового управления в цепях переменного тока.

Запираемый тиристор (ЗТ) (GTO – Gate turn off thyristor) – тиристор, который может быть заперт путем подачи на управляющий электрод импульса тока отрицательной полярности. Структура ЗТ, как и у обычного тиристора – четырехслойная с тремя силовыми выводами. Однако конструктивное исполнение отличается. Для увеличения поверхности протекания тока от управляющего электрода к катоду при одновременном сокращении путей его протекания катод выполнен в виде большого числа концентрических окружностей, имеющих общий контакт с управляющим электродом. При таком катоде быстрый рост запирающего тока управляющего электрода приводит к быстрому уменьшению тока катода и выключению ЗТ. Необходимый для запирания отрицательный ток управляющего электрода составляет примерно 30 % от максимально допустимого значения запираемого тока. Однако энергия выключения мала, так как импульс очень короткий (10 – 100 мкс).

В настоящее время созданы запираемые тиристоры с максимальными значениями напряжения до 6 кВ и тока до 6 кА.

Оптоуправляемый тиристор (оптотиристор) включается воздействием потока оптического излучения на ПП-структуру, что вызывает генерацию дополнительных носителей в облучаемой области и эквивалентно току управления. Пояснить конструкцию.

Защита СПП

Защита при токовых перегрузках в аварийных режимах

Способность выдерживать перегрузки и перенапряжения у СПП гораздо меньше, чем у электромеханических устройств. В силовой цепи в случае короткого замыкания сверхтоки могут достигать десятков и даже сотен тысяч ампер. Однако СПП могут выдерживать импульсы токов только в несколько тысяч ампер. Поэтому необходимо решать проблему защиты как самих СПП, так и аппаратуры в целом.

Защита СПП должна безопасно прерывать возможные сверхтоки за очень короткое время и ограничивать тепловую энергию ( òi 2 dt ), пропускаемую к устройству во время отключения цепи. Для этого полный òi 2 dt устройства защиты должен быть меньше, чем òi 2 dt, который может выдержать полупроводник.

Для защиты СПП при токовых перегрузках в аварийных режимах обычно используют специальные быстродействующие предохранители с плавкой вставкой или жидкометаллические предохранители.

Быстродействующие предохранители имеют специальную конструкцию, обеспечивающую более быстрое плавление вставки, нежели у обычных предохранителей такого же номинала.

В жидкометаллическом предохранителе в качестве плавкого элемента применяется жидкий металл (галлий, сплав галлий/индий/ олово и др.). При срабатывании металл из жидкого состояния переходит в парообразное. Возникающее при этом в патроне давление через специальный шток воздействует на расцепитель автоматического выключателя, который и осуществляет отключение электрической цепи. Сразу же после этого пары металла вновь переходят в жидкое состояние (через 0,5 – 2 мс) и предохранитель готов к повторному срабатыванию.

Сверхток может возникнуть не только при коротком замыкании во внешней цепи. Случайный выход за пределы безопасного диапазона может повредить СПП. Чаще всего при этом возникает короткое замыкание. Сверхток короткого замыкания приводит к расплавлению проводников и к взрыву СПП. Это может вывести из строя окружающие компоненты и вызвать пожар в оборудовании. Поэтому рекомендуется включать быстродействующие предохранители в последовательно с каждым СПП. Даже если предохранитель не успеет защитить от сгорания сам СПП, то он предотвратит дальнейшие разрушения и ограничит энергию, выделившуюся в процессе неисправности.

Помимо сверхтоков, необходимо защищать СПП от выходе за пределы ОБР в динамических режимах работы при помощи снабберов.

Биполярные транзисторы весьма чувствительны к перенапряжениям и к кратковременным перегрузкам по току. Поэтому необходимо использовать схемы ЦФТП, формирующие необходимые траектории как при включении, так и выключении (рис. 7.8, а).

В отличие от биполярных МОП-транзисторы менее подвержены пробою. Обычно ограничиваются RС-цепью,подключенной параллельно транзистору (рис. 7.8, б).

Тиристоры являются приборами, критичными к скоростям нарастания тока в открытом состоянии (di/dt) и напряжения в закрытом состоянии (du/dt).

При включении тиристора в первый момент времени возникает проводящий канал небольшого сечения между анодом и катодом, и только через некоторое время проводящей становится вся полупроводниковая структура. При высоких значениях di/dt возникает неравномерная плотность тока в сечении полупроводника. В области с максимальной плотностью тока возникает локальный перегрев с последующим повреждением структуры. Основной причиной высоких значений di/dt является малое значение индуктивности в контуре, содержащем источник напряжения и включенный прибор.

Для снижения значения di/dt обычно включают последовательно с тиристором реактор с индуктивностью, ограничивающей скорость нарастания тока. В ряде случаев оказывается целесообразным включать насыщающиеся реакторы, которые до наступления момента насыщения ограничивают ток тиристора. После завершения процесса включения тиристора реактор насыщается, его реактивное сопротивление резко уменьшается и происходит дальнейший рост тока до установившегося значения. Применение насыщающегося реактора позволяет защитить тиристор от высоких скоростей изменения тока di/dt на первом этапе включения, когда это наиболее опасно.

Впрочем, в большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включаемого тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительные индуктивности.

Большая величина du/dt вызывает перезаряд барьерных емкостей. Вследствие этого в тиристоре возникает емкостной ток, которые может вызвать ложное включение тиристора [четвертая причина включения]. Для защиты тиристора от высоких значений du/dt обычно используют демпфирующую RС-цепь (см. рис. 7.8, б). Эта же цепь защищает тиристор от импульсных перенапряжений.

Источник