Thyristor: prinsip operasi, desain, jenis dan metode inklusi

Prinsip operasi thyristor

Thyristor adalah saklar elektronik daya, tidak sepenuhnya dapat dikontrol. Oleh karena itu, kadang-kadang dalam literatur teknis ini disebut thyristor operasi tunggal, yang dapat dialihkan ke keadaan konduktif hanya dengan sinyal kontrol, mis. Untuk mematikannya (dalam operasi arus searah), tindakan khusus harus diambil untuk memastikan bahwa arus searah turun menjadi nol.

Sakelar thyristor hanya dapat mengalirkan arus dalam satu arah, dan dalam keadaan tertutup ia mampu menahan tegangan maju dan mundur.

Thyristor memiliki struktur p-n-p-n empat lapis dengan tiga sadapan: Anoda (A), Katoda (C) dan Gerbang (G), yang ditunjukkan pada Gambar. 1

Beras. 1. Thyristor konvensional: a) — penunjukan grafis konvensional; b) — karakteristik volt-ampere.

Dalam gambar. 1b menunjukkan keluarga output statis I — V karakteristik pada nilai yang berbeda dari arus kontrol iG. Tegangan maju pembatas yang dapat ditahan oleh thyristor tanpa menyalakannya memiliki nilai maksimum pada iG = 0.Saat arus meningkat, iG menurunkan tegangan yang dapat ditahan oleh thyristor. Status on thyristor sesuai dengan cabang II, status off sesuai dengan cabang I, dan proses switching sesuai dengan cabang III. Arus penahan atau arus penahan sama dengan arus maju minimum yang diijinkan iA di mana thyristor tetap berjalan. Nilai ini juga sesuai dengan nilai minimum yang mungkin dari penurunan tegangan maju melintasi thyristor.

Cabang IV merepresentasikan ketergantungan arus bocor pada tegangan balik. Ketika tegangan balik melebihi nilai UBO, peningkatan tajam arus balik dimulai, terkait dengan kegagalan thyristor. Sifat kerusakan mungkin sesuai dengan proses ireversibel atau proses kerusakan longsor yang melekat dalam pengoperasian dioda zener semikonduktor.

Thyristor adalah sakelar elektronik paling kuat yang mampu mengganti sirkuit dengan tegangan hingga 5 kV dan arus hingga 5 kA pada frekuensi tidak lebih dari 1 kHz.

Desain thyristor ditunjukkan pada gambar. 2.

Beras. 2. Desain kotak thyristor: a) — tablet; b) — pin

DC thyristor

Thyristor konvensional dihidupkan dengan menerapkan pulsa arus ke sirkuit kontrol dengan polaritas positif relatif terhadap katoda. Durasi transien selama penyalaan dipengaruhi secara signifikan oleh sifat beban (aktif, induktif, dll.), amplitudo dan laju kenaikan pulsa arus kontrol iG, suhu struktur semikonduktor thyristor, tegangan yang diberikan dan arus beban.Dalam sirkuit yang mengandung thyristor, tidak boleh ada nilai laju kenaikan tegangan maju duAC / dt yang tidak dapat diterima, di mana aktivasi spontan thyristor dapat terjadi tanpa adanya sinyal kontrol iG dan laju naik dari arus diA / dt. Pada saat yang sama, kemiringan sinyal kontrol harus tinggi.

Di antara cara mematikan thyristor, biasanya dibedakan antara matikan alami (atau peralihan alami) dan paksa (atau peralihan buatan). Pergantian alami terjadi ketika thyristor beroperasi di sirkuit bolak-balik pada saat arus turun ke nol.

Metode peralihan paksa sangat beragam, yang paling khas adalah sebagai berikut: menghubungkan kapasitor C yang telah diisi sebelumnya dengan sakelar S (Gambar 3, a); menghubungkan sirkuit LC dengan kapasitor CK yang telah diisi sebelumnya (Gambar 3b); penggunaan sifat osilasi dari proses transien di sirkuit beban (Gambar 3, c).

Beras. 3. Metode untuk pergantian thyristor artifisial: a) — dengan menggunakan kapasitor bermuatan C; b) — melalui pelepasan osilasi dari sirkuit LC; c) — karena sifat beban yang berfluktuasi

Saat beralih sesuai dengan diagram pada gambar. 3 dan menghubungkan kapasitor switching dengan polaritas terbalik, misalnya ke thyristor tambahan lainnya, akan menyebabkannya terlepas ke thyristor utama penghantar. Karena arus pelepasan kapasitor diarahkan melawan arus maju thyristor, yang terakhir berkurang menjadi nol dan thyristor mati.

Dalam diagram ara. 3, b, koneksi rangkaian LC menyebabkan pelepasan berosilasi dari kapasitor switching CK.Dalam hal ini, pada awalnya, arus pelepasan mengalir melalui thyristor berlawanan dengan arus maju, ketika menjadi sama, thyristor mati. Selain itu, arus rangkaian LC mengalir dari thyristor VS ke diode VD. Saat arus loop mengalir melalui dioda VD, tegangan balik yang sama dengan penurunan tegangan melintasi dioda terbuka akan diterapkan ke thyristor VS.

Dalam diagram ara. 3, menghubungkan VS thyristor ke beban RLC kompleks akan menyebabkan transien. Dengan parameter beban tertentu, proses ini dapat bersifat osilasi dengan perubahan polaritas arus beban masuk. Dalam hal ini, setelah mematikan thyristor VS, dioda VD menyala, yang mulai mengalirkan arus sebesar polaritas berlawanan. Kadang-kadang metode switching ini disebut kuasi-alami karena melibatkan perubahan polaritas arus beban.

thyristor AC

Ketika thyristor terhubung ke sirkuit AC, operasi berikut dimungkinkan:

• menyalakan dan mematikan sirkuit listrik dengan beban aktif dan aktif-reaktif;

• perubahan nilai arus rata-rata dan efektif melalui beban karena dimungkinkan untuk menyesuaikan waktu sinyal kontrol.

Karena sakelar thyristor mampu mengalirkan arus listrik hanya dalam satu arah, maka untuk penggunaan thyristor arus bolak-balik, koneksi paralelnya digunakan (Gbr. 4, a).

Beras. 4. Koneksi thyristor anti-paralel (a) dan bentuk arus dengan beban aktif (b)

Rata-rata dan arus efektif bervariasi karena perubahan waktu di mana sinyal pembuka diterapkan ke thyristor VS1 dan VS2, yaitu dengan mengubah sudut dan (Gbr. 4, b).Nilai sudut ini untuk thyristor VS1 dan VS2 selama pengaturan secara bersamaan diubah oleh sistem kontrol. Sudut tersebut disebut sudut kontrol atau sudut tembak thyristor.

Yang paling banyak digunakan dalam perangkat elektronik daya adalah fase (Gbr. 4, a, b) dan kontrol thyristor dengan lebar pulsa (Gbr. 4, c).

Beras. 5. Jenis tegangan beban pada: a) — kontrol fasa thyristor; b) — kontrol fase thyristor dengan pergantian paksa; c) — kontrol thyristor lebar pulsa

Dengan metode fase kontrol thyristor dengan pergantian paksa, pengaturan arus beban dimungkinkan baik dengan mengubah sudut ? dan sudut ?... Pergantian buatan dilakukan menggunakan node khusus atau menggunakan thyristor yang dikontrol sepenuhnya (mengunci).

Dengan kontrol lebar pulsa (modulasi lebar pulsa — PWM) selama Totkr, sinyal kontrol diterapkan ke thyristor, mereka terbuka dan tegangan Un diterapkan ke beban. Selama waktu Tacr, sinyal kontrol tidak ada dan thyristor dalam keadaan non-conducting. Nilai RMS arus pada beban

dimana In.m. — arus beban pada Tcl = 0.

Kurva arus pada beban dengan kontrol fasa thyristor adalah non-sinusoidal, yang menyebabkan distorsi bentuk tegangan jaringan suplai dan gangguan pada pekerjaan konsumen yang peka terhadap gangguan frekuensi tinggi - yang disebut terjadi. Ketidakcocokan elektromagnetik.

Mengunci thyristor

Thyristor adalah sakelar elektronik paling kuat yang digunakan untuk mengganti sirkuit tegangan tinggi, arus tinggi (arus tinggi).Namun, mereka memiliki kelemahan yang signifikan - kemampuan kontrol yang tidak lengkap, yang dimanifestasikan dalam kenyataan bahwa untuk mematikannya, perlu dibuat kondisi untuk mengurangi arus maju menjadi nol. Ini dalam banyak kasus membatasi dan memperumit penggunaan thyristor.

Untuk menghilangkan kelemahan ini, telah dikembangkan thyristor yang dikunci oleh sinyal dari elektroda kontrol G. Thyristor semacam itu disebut gate-off thyristor (GTO) atau operasi ganda.

Locking thyristor (ZT) memiliki struktur p-p-p-p empat lapis, tetapi pada saat yang sama memiliki sejumlah fitur desain signifikan yang membuatnya sangat berbeda dari thyristor tradisional - properti kemampuan kontrol penuh. Karakteristik statis I-V dari turn-off thyristor ke arah depan identik dengan karakteristik I-V dari thyristor konvensional. Namun, thyristor pengunci biasanya tidak dapat memblokir tegangan balik yang besar dan sering dihubungkan ke dioda anti-paralel. Selain itu, penguncian thyristor ditandai dengan penurunan tegangan maju yang signifikan. Untuk mematikan thyristor pengunci, perlu untuk menerapkan pulsa arus negatif yang kuat (sekitar 1: 5 dalam kaitannya dengan nilai arus mati konstan) ke sirkuit elektroda penutup, tetapi dengan durasi singkat (10- 100 mikrodetik).

Thyristor pengunci juga memiliki tegangan dan arus cutoff yang lebih rendah (sekitar 20-30%) daripada thyristor konvensional.

Jenis utama thyristor

Dengan pengecualian thyristor pengunci, berbagai macam thyristor dari berbagai jenis telah dikembangkan, berbeda dalam kecepatan, proses kontrol, arah arus dalam keadaan konduksi, dll.Di antara mereka, jenis-jenis berikut harus diperhatikan:

• dioda thyristor, yang setara dengan thyristor dengan dioda yang terhubung antiparalel (Gbr. 6.12, a);

• diode thyristor (dynistor), beralih ke keadaan konduktif ketika level tegangan tertentu terlampaui, diterapkan antara A dan C (Gbr. 6, b);

• mengunci thyristor (Gbr. 6.12, c);

• thyristor atau triac simetris, yang setara dengan dua thyristor yang terhubung secara antiparalel (Gbr. 6.12, d);

• thyristor inverter berkecepatan tinggi (waktu mati 5-50 μs);

• bidang thyristor, misalnya, berdasarkan kombinasi transistor MOS dengan thyristor;

• thyristor optik dikendalikan oleh fluks cahaya.

Beras. 6. Penunjukan grafik thyristor konvensional: a) — dioda thyristor; b) — dioda thyristor (dynistor); c) — mengunci thyristor; d) — triak

Perlindungan thyristor

Thyristor adalah perangkat penting untuk laju kenaikan arus maju diA / dt dan penurunan tegangan duAC / dt. Thyristor, seperti dioda, dicirikan oleh fenomena pemulihan arus balik, yang penurunan tajamnya ke nol memperburuk kemungkinan tegangan berlebih dengan nilai duAC / dt yang tinggi. Tegangan lebih seperti itu adalah hasil dari gangguan arus yang tiba-tiba pada elemen induktif rangkaian, termasuk induktansi kecil instalasi. Oleh karena itu, berbagai skema CFTCP biasanya digunakan untuk melindungi thyristor, yang dalam mode dinamis memberikan perlindungan terhadap nilai diA / dt dan duAC / dt yang tidak dapat diterima.

Dalam kebanyakan kasus, resistansi induktif internal dari sumber tegangan yang termasuk dalam rangkaian thyristor yang disertakan cukup sehingga tidak ada induktansi tambahan LS yang dimasukkan.Oleh karena itu, dalam praktiknya, sering kali diperlukan CFT yang mengurangi tingkat dan kecepatan lonjakan arus (Gbr. 7).

Beras. 7. Sirkuit perlindungan thyristor tipikal

Sirkuit RC yang dihubungkan secara paralel dengan thyristor biasanya digunakan untuk tujuan ini. Ada berbagai modifikasi sirkuit dari sirkuit RC dan metode untuk menghitung parameternya untuk berbagai kondisi penggunaan thyristor.

Untuk lock-in thyristor, sirkuit digunakan untuk membentuk jalur switching, mirip dengan sirkuit transistor CFTT.