Thyristor: nguyên tắc hoạt động, thiết kế, loại và phương pháp đưa vào

Nguyên lý hoạt động của thyristor

Thyristor là một công tắc điện tử công suất, không thể điều khiển hoàn toàn. Do đó, đôi khi trong tài liệu kỹ thuật, nó được gọi là thyristor hoạt động đơn lẻ, có thể chuyển sang trạng thái dẫn điện chỉ bằng một tín hiệu điều khiển, tức là nó có thể được bật. Để tắt nó (trong hoạt động dòng điện một chiều), phải thực hiện các biện pháp đặc biệt để đảm bảo rằng dòng điện một chiều giảm xuống bằng không.

Một công tắc thyristor chỉ có thể dẫn dòng điện theo một hướng và ở trạng thái đóng, nó có thể chịu được cả điện áp thuận và ngược.

Thyristor có cấu trúc p-n-p-n bốn lớp với ba dây dẫn: Anode (A), Cathode (C) và Gate (G), được thể hiện trong Hình. 1

Cơm. 1. Thyristor thông thường: a) — ký hiệu đồ họa thông thường; b) — đặc tính vôn-ampe.

Trong bộ lễ phục. Hình 1b hiển thị một họ các đặc tính I — V tĩnh đầu ra ở các giá trị khác nhau của dòng điều khiển iG. Điện áp chuyển tiếp giới hạn mà thyristor có thể chịu được khi không bật nó có giá trị cực đại tại iG = 0.Khi dòng điện tăng lên, iG giảm điện áp mà thyristor có thể chịu được. Trạng thái bật của thyristor tương ứng với nhánh II, trạng thái tắt tương ứng với nhánh I và quá trình chuyển mạch tương ứng với nhánh III. Dòng giữ hoặc dòng giữ bằng với dòng thuận tối thiểu cho phép iA mà tại đó thyristor vẫn dẫn. Giá trị này cũng tương ứng với giá trị nhỏ nhất có thể có của sụt áp thuận trên thyristor.

Nhánh IV thể hiện sự phụ thuộc của dòng rò vào điện áp ngược. Khi điện áp ngược vượt quá giá trị của UBO, dòng điện ngược bắt đầu tăng mạnh, liên quan đến sự cố của thyristor. Bản chất của sự cố có thể tương ứng với một quá trình không thể đảo ngược hoặc quá trình đánh thủng tuyết lở vốn có trong hoạt động của điốt zener bán dẫn.

Thyristor là công tắc điện tử mạnh nhất có khả năng chuyển mạch với điện áp lên đến 5 kV và dòng điện lên đến 5 kA ở tần số không quá 1 kHz.

Thiết kế của thyristor được thể hiện trong hình. 2.

Cơm. 2. Thiết kế hộp thyristor: a) — máy tính bảng; b) — một chốt

điện trở một chiều

Một thyristor thông thường được bật bằng cách đặt một xung dòng điện vào mạch điều khiển có cực tính dương so với cực âm. Thời lượng của quá độ trong khi bật bị ảnh hưởng đáng kể bởi bản chất của tải (hoạt động, cảm ứng, v.v.), biên độ và tốc độ tăng của xung dòng điều khiển iG, nhiệt độ của cấu trúc bán dẫn của thyristor, điện áp đặt vào và dòng tải.Trong một mạch có chứa thyristor, không được phép có các giá trị không thể chấp nhận được về tốc độ tăng của điện áp chuyển tiếp duAC / dt, trong đó kích hoạt tự phát của thyristor có thể xảy ra khi không có tín hiệu điều khiển iG và tốc độ của tăng từ diA / dt hiện tại. Đồng thời, độ dốc của tín hiệu điều khiển phải cao.

Trong số các cách tắt thyristor, người ta thường phân biệt giữa tắt tự nhiên (hoặc chuyển mạch tự nhiên) và cưỡng bức (hoặc chuyển mạch nhân tạo). Chuyển mạch tự nhiên xảy ra khi thyristor hoạt động trong các mạch xoay chiều tại thời điểm dòng điện giảm xuống bằng không.

Các phương pháp chuyển mạch cưỡng bức rất đa dạng, điển hình nhất là các phương pháp sau: kết nối tụ điện C đã được sạc trước với công tắc S (Hình 3, a); nối mạch LC với tụ điện CK đã tích điện trước (hình 3 b); việc sử dụng bản chất dao động của quá trình quá độ trong mạch tải (Hình 3, c).

Cơm. 3. Các phương pháp chuyển mạch nhân tạo thyristor: a) — bằng tụ điện C đã tích điện; b) — bằng phóng điện dao động của mạch LC; c) — do tính chất dao động của tải trọng

Khi chuyển đổi theo sơ đồ trong hình. 3 và kết nối một tụ điện chuyển mạch có cực tính ngược, chẳng hạn với một thyristor phụ khác, sẽ khiến nó phóng điện vào thyristor chính đang dẫn điện. Vì dòng xả của tụ điện hướng vào dòng thuận của thyristor, nên dòng sau giảm xuống 0 và thyristor tắt.

Trong sơ đồ của hình. 3, b, việc kết nối mạch LC gây ra hiện tượng phóng điện dao động của tụ điện chuyển mạch CK.Trong trường hợp này, lúc đầu, dòng xả chạy qua thyristor ngược với dòng thuận của nó, khi chúng trở nên bằng nhau, thyristor sẽ tắt. Ngoài ra, dòng điện của mạch LC đi từ thyristor VS đến diode VD. Khi dòng điện vòng chạy qua điốt VD, một điện áp ngược bằng với điện áp rơi trên điốt hở sẽ được đặt vào thyristor VS.

Trong sơ đồ của hình. 3, kết nối một thyristor VS với một tải RLC phức tạp sẽ gây ra một thoáng qua. Với các tham số nhất định của tải, quá trình này có thể có đặc tính dao động với sự thay đổi cực tính của dòng tải trong. Trong trường hợp này, sau khi tắt thyristor VS, diode VD sẽ bật, bắt đầu dẫn dòng điện đối cực. Đôi khi phương pháp chuyển mạch này được gọi là gần như tự nhiên vì nó liên quan đến sự thay đổi cực tính của dòng tải.

điện trở xoay chiều

Khi kết nối thyristor với mạch điện xoay chiều, có thể thực hiện các thao tác sau:

• bật và tắt mạch điện với tải hoạt động và phản ứng tích cực;

• thay đổi giá trị dòng điện trung bình và hiệu dụng qua tải do có thể điều chỉnh thời gian của tín hiệu điều khiển.

Vì công tắc thyristor chỉ có khả năng dẫn dòng điện theo một hướng, nên để sử dụng các thyristor dòng điện xoay chiều, kết nối song song của chúng được sử dụng (Hình 4, a).

Cơm. 4. Kết nối chống song song của thyristor (a) và hình dạng của dòng điện với tải hoạt động (b)

trung bình và hiệu quả hiện tại khác nhau do sự thay đổi về thời gian mà tín hiệu mở được áp dụng cho thyristor VS1 và VS2, nghĩa là bằng cách thay đổi góc và (Hình 4, b).Các giá trị của góc này đối với thyristor VS1 và VS2 trong quá trình điều chỉnh được thay đổi đồng thời bởi hệ thống điều khiển. Góc được gọi là góc điều khiển hoặc góc kích hoạt của thyristor.

Được sử dụng rộng rãi nhất trong các thiết bị điện tử công suất là pha (Hình 4, a, b) và điều khiển thyristor với độ rộng xung (Hình 4, c).

Cơm. 5. Loại điện áp tải tại: a) — điều khiển pha của thyristor; b) — điều khiển pha của thyristor có chuyển mạch cưỡng bức; c) — điều khiển thyristor độ rộng xung

Với phương pháp pha của điều khiển thyristor với chuyển mạch cưỡng bức, có thể điều chỉnh dòng tải bằng cách thay đổi góc ? và góc ?... Chuyển mạch nhân tạo được thực hiện bằng cách sử dụng các nút đặc biệt hoặc sử dụng thyristor (khóa) được điều khiển hoàn toàn.

Với điều khiển độ rộng xung (điều chế độ rộng xung — PWM) trong Totkr, tín hiệu điều khiển được cấp cho các thyristor, chúng được mở và điện áp Un được cấp cho tải. Trong thời gian Tacr, tín hiệu điều khiển không có và các thyristor ở trạng thái không dẫn điện. Giá trị RMS của dòng điện trong tải

nơi In.m. — dòng tải tại Tcl = 0.

Đường cong dòng điện trong tải có điều khiển pha của thyristor không phải hình sin, điều này gây ra sự biến dạng về hình dạng điện áp của mạng cung cấp và làm xáo trộn công việc của người tiêu dùng nhạy cảm với nhiễu tần số cao - cái gọi là xảy ra. Không tương thích điện từ.

Khóa thyristor

Thyristor là công tắc điện tử mạnh nhất dùng để chuyển mạch điện áp cao, dòng điện cao (dòng điện cao).Tuy nhiên, chúng có một nhược điểm đáng kể — khả năng điều khiển không đầy đủ, thể hiện ở chỗ để tắt chúng, cần phải tạo điều kiện để giảm dòng điện về 0. Điều này trong nhiều trường hợp hạn chế và làm phức tạp việc sử dụng thyristor.

Để loại bỏ nhược điểm này, người ta đã phát triển các thyristor khóa bằng tín hiệu từ điện cực điều khiển G. Các thyristor như vậy được gọi là thyristor cổng tắt (GTO) hoặc hoạt động kép.

Các thyristor khóa (ZT) có cấu trúc p-p-p-p bốn lớp, nhưng đồng thời có một số tính năng thiết kế quan trọng giúp chúng hoàn toàn khác biệt so với các thyristor truyền thống - đặc tính có thể điều khiển hoàn toàn. Đặc tính IV tĩnh của thyristor ngắt theo hướng thuận giống với đặc tính IV của thyristor truyền thống. Tuy nhiên, thyristor khóa thường không thể chặn các điện áp ngược lớn và thường được kết nối với một diode chống song song. Ngoài ra, các thyristor khóa được đặc trưng bởi sự sụt giảm điện áp thuận đáng kể. Để tắt thyristor khóa, cần phải đặt một xung mạnh của dòng điện âm (khoảng 1: 5 so với giá trị của dòng điện tắt không đổi) vào mạch của điện cực đóng, nhưng trong thời gian ngắn (10- 100 μs ).

Thyristor khóa cũng có điện áp và dòng điện cắt thấp hơn (khoảng 20-30%) so với thyristor thông thường.

Các loại thyristor chính

Ngoại trừ thyristor khóa, một loạt các loại thyristor khác nhau đã được phát triển, khác nhau về tốc độ, quy trình điều khiển, hướng của dòng điện ở trạng thái dẫn, v.v.Trong số đó, cần lưu ý các loại sau:

• đi-ốt thyristor, tương đương với một thyristor có đi-ốt kết nối phản song song (Hình 6.12, a);

• đi-ốt thyristor (dynistor), chuyển sang trạng thái dẫn điện khi vượt quá một mức điện áp nhất định, được áp dụng giữa A và C (Hình 6, b);

• khóa thyristor (Hình 6.12, c);

• thyristor hoặc triac đối xứng, tương đương với hai thyristor kết nối phản song song (Hình 6.12, d);

• thyristor biến tần tốc độ cao (thời gian tắt 5-50 μs);

• ví dụ, thyristor trường, dựa trên sự kết hợp của bóng bán dẫn MOS với thyristor;

• thyristor quang điều khiển bằng quang thông.

Cơm. 6. Ký hiệu đồ họa thông thường của thyristor: a) — điốt thyristor; b) — điốt thyristor (dynistor); c) — khóa thyristor; d) — triac

bảo vệ thyristor

Thyristor là thiết bị quan trọng đối với tốc độ tăng của dòng thuận diA / dt và điện áp rơi duAC / dt. Thyristor, giống như điốt, được đặc trưng bởi hiện tượng dòng điện phục hồi ngược, hiện tượng giảm mạnh về 0 làm trầm trọng thêm khả năng quá điện áp với giá trị duAC / dt cao. Quá điện áp như vậy là kết quả của sự gián đoạn đột ngột dòng điện trong các phần tử cảm ứng của mạch, bao gồm cả điện cảm nhỏ cài đặt. Do đó, các sơ đồ CFTCP khác nhau thường được sử dụng để bảo vệ thyristor, ở chế độ động cung cấp khả năng bảo vệ chống lại các giá trị diA / dt và duAC / dt không được chấp nhận.

Trong hầu hết các trường hợp, điện trở cảm ứng bên trong của các nguồn điện áp bao gồm trong mạch của thyristor đi kèm là đủ để không có LS điện cảm bổ sung nào được đưa vào.Do đó, trong thực tế, thường có nhu cầu về các CFT giúp giảm mức độ và tốc độ của các xung đột biến (Hình 7).

Cơm. 7. Mạch bảo vệ thyristor điển hình

Các mạch RC được kết nối song song với thyristor thường được sử dụng cho mục đích này. Có nhiều sửa đổi mạch khác nhau của mạch RC và phương pháp tính toán các tham số của chúng cho các điều kiện sử dụng thyristor khác nhau.

Đối với thyristor khóa, các mạch được sử dụng để tạo thành đường chuyển mạch, tương tự như mạch của bóng bán dẫn CFTT.