Силовые электронные устройства

Тиристоры

Тиристоры. Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более p-n-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Обычный тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т.е. включаться. Для его выключения необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нул.

Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод G (рис. 6.8).

 

 

Структуру тиристора  можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: p-n-p и p-n-p, эквивалентных биполярным транзисторам. В этом случае анодный ток тиристора i_A может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных биполярных транзисторов VT1 и VT2. Такая схема соединенных трехслойных структур содержит внутренние положительные обратные связи. Увеличение тока управления тиристора i_G приводит к включению транзистора VT2 и соответственно к увеличению тока базы транзистора VT1 и его включению. Благодаря положительной обратной связи между этими эквивалентными транзисторами включение тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда ток ограничен сопротивлением нагрузки. При этом ток открытого тиристора должен превышать минимальное значение, удерживающее тиристор в открытом состоянии. Для ускорения включения передний фронт импульса управления должен быть крутым, иметь амплитуду, указанную в технических условиях на применение в конкретных условиях, а длительность импульса учитывать параметры схемы и алгоритм ее работы.

Учитывая неполную управляемость  тиристора, различают два способа его выключения: естественный и принудительный (искусственный). Первый способ используется для выключения тиристора в цепи переменного тока при изменении полярности последнего. Второй основан на подключении к выключаемому тиристору источника энергии, способного развить ток, направленный встречно прямому току выключаемого тиристора, обеспечив спадание последнего до нуля, т.е. выключение тиристора. При этом следует отметить, что для восстановления тиристором запирающей способности к напряжению после прохождения прямого тока через нуль необходимо обеспечить паузу длительностью от единиц до сотен микросекунд для восстановления запирающих свойств тиристора в зависимости от его типа. На рис. 6.9 представлен пример схемы принудительного выключения тиристоров в цепи постоянного тока посредством предварительно заряженного конденсатора С_к. После прохождения тока тиристора i_VS через нуль к нему вновь может быть приложено прямое напряжение u_AC через время t і t_q, которое отражает процесс восстановления запирающих свойств тиристора.

 

 

 

 

 

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 10 кВ и токами до 10 кА. В то же время частота наиболее мощных приборов обычно не превышает 1 кГц. Конструктивные исполнения тиристоров и силовых диодов во многом сходны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Существует большое  разнообразие типов тиристоров, весьма различных по своим характеристикам и функциональным возможностям (рис. 6.10). Среди них следует выделить:

• запираемые тиристоры;
• быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс);
• объединенные конструктивно пары встречно-включенных тиристоров (симисторы, или триаки);
• асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен со встречно-включенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока;
• оптотиристоры, управляемые световым потоком;
• диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения.

Все они имеют свои области рационального применения. Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает  эффективность их применения. Для  устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые по управляющему электроду. Среди них в настоящее время чаще всего выделяют три типа запираемых тиристоров:

• запираемый тиристор (англ. GTO — Gate Turn-Off Thyristor), переключаемый в открытое состояние и наоборот путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;
• тиристор, переключаемый по управляющему электроду (англ. GCT — Gate Commutated Thyristor), и его разновидность — тиристор, переключаемый по управляющему электроду с интегрированным управлением (англ. IGCT-Integrated Gate Commutated Thyristor), отличающийся наличием интегрированной с тиристором схемы управления;
• тиристор с полевым управлением (англ. МСТ — MOS-Control Thyristor), содержащий два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а второй — аналогично процесс выключения тиристора.

Последние разработки GTO и GCT способны блокировать напряжение до 6 кВ и управлять током 6 кА. При этом GCT превосходит GTO по быстродействию и стойкости к скоростям напряжения и тока. Коэффициент усиления по току управления в GCT равен 1, что в 3—5 раз выше, чем в GTO. В то же время длительность тока управления в GCT не превышает 1 мкс.

Тиристоры типа МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа GTO и GCT в части быстродействия и более простой реализации управления. Современные образцы МСТ показывают способность коммутировать мощности свыше 10 МВт при частоте 10 кГц.

Сравнение силовых полупроводниковых управляемых ключей. Создание в 1958 г. тиристора стало новым рубежом в развитии силовой электроники, с которого началось развитие твердотельной силовой электроники. Появление тиристоров открыло новые перспективы и породило большие надежды на эффективное преобразование и управление потоками электрической энергии во многих областях техники и особенно в электромеханике. Однако неполная управляемость тиристора и его относительно невысокое быстродействие значительно ограничили возможности использования тиристоров, особенно в области разработки автономных инверторов и преобразователей частоты для электропривода переменного тока. Наибольшие результаты были достигнуты в области разработок управляемых выпрямителей и зависимых инверторов, работающих в сетях с частотой 50 Гц. Однако стоит отметить, что внедрение тиристоров в силовых тиристорных преобразователях породило проблему роста неактивных мощностей — реактивной основной гармоники и искажения. Последняя возникала из-за нелинейного характера цепей с ключевыми элементами и низким быстродействием. Ситуация в развитии силовой электроники начала существенно улучшаться в конце 80-х и начале 90-х годов в связи с развитием гибридных и интегральных технологий в области создания новых типов быстродействующих силовых полупроводниковых приборов.

Наиболее мощными полностью  управляемыми ключами в настоящее  время являются запираемые тиристоры GTO и GCT, которым несколько уступают по мощности, но существенно опережают  по быстродействию тиристоры типа МСТ  и силовые IGBT.

При равном значении коммутируемой  мощности 36 кВА GCT превосходит GTO в 2 раза по допустимым скоростям нарастания напряжения и тока и быстродействию. Характеристики современных МСТ свидетельствуют, что этот тиристор является весьма перспективным прибором для коммутации больших мощностей на частотах выше 10 кГц.

В настоящем кратком обзоре рассмотрены  только основные виды силовых полупроводниковых  ключей. Однако как в разработках, так и в эксплуатации используются и другие виды приборов, которые  в перспективе могут найти широкое применение в преобразовательной технике.

 

 

 

 

Инвертор. Принцип работы, разновидность, область применения

 

Последовательный инвертор

 

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов последовательного  инвертора изображены на рис. 1. Такая схема называется последовательным инвертором, поскольку в ней нагрузочное сопротивление включено последовательно с емкостью. R - нагрузочное сопротивление, L и С - коммутационные элементы. Такой тип инвертора содержит два тиристора. Рассмотрим подробнее фазы работы такой схемы.

Фаза I. Тиристор Т₁ включается в момент времени t_o. Начинается заряд конденсатора от источника питания. Последовательная цепь R, L и С формирует синусоидальный ток через нагрузочное сопротивление и выполняет функцию демпфирующей цепи. Когда ток в цепи уменьшается до нуля, тиристор Т₁ запирается. Напряжение на нагрузочном сопротивлении находится в фазе с током тиристора. Формы напряжений V_L и V_c можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (V_L+ V_c = E), величины V_L и V_c должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Фаза II. Тиристор Т₂ не должен включаться сразу после того, как ток через тиристор Г, уменьшится до нуля. Для лучшего запирания тиристора Т₁, к нему необходимо приложить небольшое обратное напряжение. Если тиристор Т₂ включается без запаздывания, или мертвая зона отсутствует, напряжение источника питания замыкается через открытые тиристоры Т₁ и Т_г._. Если оба тиристора находятся в закрытом состоянии, то V_R = 0, V_L= 0, следовательно, L di/dt = 0 и конденсатор С остается незаряженным.

Фаза III. В момент времени t₂ тиристор Т₂ включается и инициирует отрицательный полупериод. Конденсатор разряжается через L, R и Т₂. Следует заметить, что электрический ток через нагрузочное сопротивление R протекает в противоположном направлении. В момент времени, когда этот ток уменьшается до нуля, тиристор Т₂ выключается. Формы напряжений V_L и V_c можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (V_L + V_c = 0), величины V_L и V_c должны удовлетворять условиям этого уравнения. 
Рис.1 - Последовательный инвертор:

а) Электрическая схема;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях последовательного 
инвертора

 

Если тиристор Т₁ запустить с задержкой на величину мертвого времени, вышеупомянутые процессы повторятся.

Преимущества:

1. Простая конструкция.

2. Выходное напряжение  близко к синусоидальному.

Недостатки:

1. Индуктивность L и конденсатор С имеют большие габариты.

2. Источник питания  используется только в течение положительного полупериода.

3. В выходном напряжении  имеются высшие гармоники из-за  наличия мертвой зоны.

Последовательный инвертор лучше всего подходит для высокочастотных  устройств, так как для требуемых  значений 1 и С уменьшаются их габариты. Время периода для одного цикла составляет:

T₀=T + 2t_d. где Г = l/f_t и t₆ - мертвое время.

Выходная  частота последовательного инвертора  всегда меньше резонансной частоты вследствие наличия мертвой зоны. Значение выходной частоты может варьироваться путем изменения мертвого времени.

 

Рис.1г. -Форма выходного  напряжения последователного инвертора

 

Параллельный инвертор

 

Базовая схема  параллельного инвертора изображена на рис.2а. Когда ключ 1 замкнут, помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют положительный потенциал. Выходное напряжение - положительное. Во второй половине периода ключ 1 размыкается и замыкается ключ 2. Помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют отрицательный потенциал и выходное напряжение - отрицательное.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов параллельного инвертора изображены на рис.2. Параллельные инверторы применяются в низкочастотных устройствах. В них используются трансформатор с отводом из центра первичной обмотки, два тиристора и коммутирующий конденсатор. Источник питания включается между центральным выводом и общей точкой катодов тиристоров. Эквивалентное нагрузочное сопротивление, пересчитанное в цепь первичной обмотки, подключено параллельно коммутационному конденсатору. Следовательно, инвертор такого типа является параллельным.

В момент времени t= t_x тиристор Т₁ включается. Напряжение источника питания Е приложено к обмотке трансформатора А. Согласно закону самоиндукции такое же напряжение Е индуцируется на обмотке трансформатора В, но противоположной полярности. Поскольку обмотки А и В соединены последовательно, на них будет суммарное напряжение 2Е. Этим напряжением конденсатор предварительно заряжается до напряжения +2Е.

В момент времени t= t₂ тиристор Т₂ включается. Полярность напряжений на обмотках А и В меняется на обратную, к конденсатору, и тем самым к тиристору Т₁, прикладывается обратное напряжение, за счет чего тиристор Т₁ выключается. Полярность напряжения на конденсаторе меняется, и он перезаряжается до напряжения - 2Е. Также меняет на обратное направление ток во вторичной обмотке, то есть через нагрузочное сопротивление протекает переменный ток прямоугольной формы. Форма выходного напряжения аналогична форме напряжения на конденсаторе.