Tiristores: principio de funcionamiento, diseño, tipos y métodos de inclusión.

El principio de funcionamiento del tiristor.

Un tiristor es un interruptor electrónico de potencia, no totalmente controlable. Por lo tanto, a veces en la literatura técnica se le llama tiristor de operación única, que se puede cambiar a un estado conductor solo mediante una señal de control, es decir, se puede encender. Para apagarlo (en funcionamiento con corriente continua), se deben tomar medidas especiales para garantizar que la corriente continua caiga a cero.

Un interruptor de tiristor solo puede conducir la corriente en una dirección y, en estado cerrado, puede soportar tanto el voltaje directo como el inverso.

El tiristor tiene una estructura p-n-p-n de cuatro capas con tres conductores: ánodo (A), cátodo (C) y puerta (G), que se muestra en la Fig. 1

Arroz. 1. Tiristor convencional: a) — designación gráfica convencional; b) — característica de voltios-amperios.

En la Fig. 1b muestra una familia de características I — V estáticas de salida a diferentes valores de la corriente de control iG. La tensión directa límite que puede soportar el tiristor sin encenderlo tiene valores máximos en iG = 0.A medida que aumenta la corriente, iG disminuye el voltaje que puede soportar el tiristor. El estado encendido del tiristor corresponde a la rama II, el estado apagado corresponde a la rama I y el proceso de conmutación corresponde a la rama III. La corriente de mantenimiento o la corriente de mantenimiento es igual a la corriente directa mínima permitida iA a la que el tiristor sigue conduciendo. Este valor también corresponde al valor mínimo posible de la caída de tensión directa en el tiristor.

La rama IV representa la dependencia de la corriente de fuga del voltaje inverso. Cuando el voltaje inverso supera el valor de UBO, comienza un fuerte aumento en la corriente inversa, asociado con la falla del tiristor. La naturaleza de la ruptura puede corresponder a un proceso irreversible oa un proceso de ruptura por avalancha inherente al funcionamiento de un diodo zener semiconductor.

Los tiristores son los interruptores electrónicos más potentes, capaces de conmutar circuitos con tensiones de hasta 5 kV y corrientes de hasta 5 kA a una frecuencia no superior a 1 kHz.

El diseño de los tiristores se muestra en la fig. 2.

Arroz. 2. El diseño de cajas de tiristores: a) — tableta; b) - un alfiler

tiristor de CC

Un tiristor convencional se enciende aplicando un pulso de corriente al circuito de control con polaridad positiva en relación con el cátodo. La duración del transitorio durante el encendido se ve significativamente afectada por la naturaleza de la carga (activa, inductiva, etc.), la amplitud y la tasa de aumento del pulso de corriente de control iG, la temperatura de la estructura semiconductora del tiristor, la tensión aplicada y la corriente de carga.En un circuito que contiene un tiristor, no debe haber valores inaceptables de la tasa de aumento de la tensión directa duAC / dt, donde la activación espontánea del tiristor puede ocurrir en ausencia de la señal de control iG y la tasa de aumento de la actual diA / dt. Al mismo tiempo, la pendiente de la señal de control debe ser alta.

Entre las formas de apagar los tiristores, se acostumbra distinguir entre apagado natural (o conmutación natural) y forzado (o conmutación artificial). La conmutación natural ocurre cuando los tiristores operan en circuitos alternos en el momento en que la corriente cae a cero.

Los métodos de conmutación forzada son muy diversos, los más típicos son los siguientes: conectar un condensador C precargado con un interruptor S (Figura 3, a); conectar un circuito LC con un capacitor precargado CK (Figura 3b); el uso de la naturaleza oscilatoria del proceso transitorio en el circuito de carga (Figura 3, c).

Arroz. 3. Métodos para la conmutación artificial de tiristores: a) — por medio del condensador C cargado; b) — mediante descarga oscilatoria del circuito LC; c) — debido a la naturaleza fluctuante de la carga

Al cambiar de acuerdo con el diagrama en la fig. 3 y conectando un capacitor de conmutación de polaridad inversa, por ejemplo a otro tiristor auxiliar, hará que se descargue al tiristor principal conductor. Dado que la corriente de descarga del condensador se dirige contra la corriente directa del tiristor, este último se reduce a cero y el tiristor se apaga.

En el diagrama de la fig. 3, b, la conexión del circuito LC provoca una descarga oscilante del condensador de conmutación CK.En este caso, al principio, la corriente de descarga fluye a través del tiristor en sentido contrario a su corriente directa, cuando se igualan, el tiristor se apaga. Además, la corriente del circuito LC pasa del tiristor VS al diodo VD. A medida que la corriente de bucle fluye a través del diodo VD, se aplicará al tiristor VS un voltaje inverso igual a la caída de voltaje en el diodo abierto.

En el diagrama de la fig. 3, conectar un tiristor VS a una carga RLC compleja provocará un transitorio. Con ciertos parámetros de la carga, este proceso puede tener un carácter oscilatorio con un cambio en la polaridad de la corriente de carga. En este caso, después de apagar el tiristor VS, se enciende el diodo VD, que comienza a conducir una corriente de polaridad opuesta. A veces, este método de conmutación se denomina casi natural porque implica un cambio en la polaridad de la corriente de carga.

tiristor de CA

Cuando el tiristor está conectado al circuito de CA, son posibles las siguientes operaciones:

• encender y apagar el circuito eléctrico con carga activa y activo-reactiva;

• cambio en los valores de corriente promedio y efectivos a través de la carga debido al hecho de que es posible ajustar el tiempo de la señal de control.

Dado que el interruptor de tiristores es capaz de conducir corriente eléctrica en una sola dirección, entonces, para el uso de tiristores de corriente alterna, se usa su conexión en paralelo (Fig. 4, a).

Arroz. 4. Conexión antiparalela de tiristores (a) y la forma de la corriente con una carga activa (b)

Promedio y corriente efectiva variar debido a un cambio en el tiempo en que se aplican las señales de apertura a los tiristores VS1 y VS2, es decir cambiando el ángulo y (Fig. 4, b).Los valores de este ángulo para los tiristores VS1 y VS2 durante la regulación son cambiados simultáneamente por el sistema de control. El ángulo se denomina ángulo de control o ángulo de disparo del tiristor.

Los más utilizados en dispositivos electrónicos de potencia son el control de fase (Fig. 4, a, b) y el tiristor con ancho de pulso (Fig. 4, c).

Arroz. 5. Tipo de voltaje de carga en: a) — control de fase del tiristor; b) — control de fase de un tiristor con conmutación forzada; c) — control de tiristores de ancho de pulso

Con el método de fase de control de tiristores con conmutación forzada, la regulación de la corriente de carga es posible cambiando el ángulo ? y el ángulo ?... La conmutación artificial se lleva a cabo utilizando nodos especiales o utilizando tiristores totalmente controlados (bloqueados).

Con control de ancho de pulso (modulación de ancho de pulso - PWM) durante Totkr, se aplica una señal de control a los tiristores, se abren y se aplica el voltaje Un a la carga. Durante el tiempo Tacr, la señal de control está ausente y los tiristores están en un estado no conductor. Valor RMS de la corriente en la carga

donde In.m. — corriente de carga en Tcl = 0.

La curva de corriente en la carga con control de fase de los tiristores no es sinusoidal, lo que provoca una distorsión de la forma del voltaje de la red de suministro y perturbaciones en el trabajo de los consumidores sensibles a las perturbaciones de alta frecuencia, lo que se denomina. Incompatibilidad electromagnética.

Tiristores de bloqueo

Los tiristores son los interruptores electrónicos más potentes que se utilizan para conmutar circuitos de alta tensión y alta corriente (alta corriente).Sin embargo, tienen un inconveniente importante: la capacidad de control incompleta, que se manifiesta en el hecho de que, para apagarlos, es necesario crear las condiciones para reducir la corriente directa a cero. Esto en muchos casos limita y complica el uso de tiristores.

Para eliminar este inconveniente, se han desarrollado tiristores que se bloquean mediante una señal del electrodo de control G. Dichos tiristores se denominan tiristores de desactivación (GTO) o de funcionamiento dual.

Los tiristores de bloqueo (ZT) tienen una estructura p-p-p-p de cuatro capas, pero al mismo tiempo tienen una serie de características de diseño significativas que les dan una propiedad de control total completamente diferente de los tiristores tradicionales. La característica I-V estática de los tiristores de desconexión en dirección directa es idéntica a la característica I-V de los tiristores convencionales. Sin embargo, el tiristor de bloqueo generalmente no puede bloquear voltajes inversos grandes y, a menudo, está conectado a un diodo antiparalelo. Además, los tiristores de bloqueo se caracterizan por caídas significativas de voltaje directo. Para apagar el tiristor de bloqueo, es necesario aplicar un pulso potente de corriente negativa (aproximadamente 1: 5 en relación con el valor de la corriente de apagado constante) al circuito del electrodo de cierre, pero con una duración corta (10- 100 μs).

Los tiristores de bloqueo también tienen voltajes y corrientes de corte más bajos (entre un 20 y un 30 %) que los tiristores convencionales.

Los principales tipos de tiristores.

Con la excepción de los tiristores lock-in, se ha desarrollado una amplia gama de tiristores de varios tipos, que difieren en velocidad, procesos de control, dirección de las corrientes en estado conductor, etc.Entre ellos, cabe señalar los siguientes tipos:

• diodo tiristor, que es equivalente a un tiristor con un diodo conectado en antiparalelo (Fig. 6.12, a);

• tiristor de diodo (dinistor), que cambia a un estado conductor cuando se excede un cierto nivel de voltaje, aplicado entre A y C (Fig. 6, b);

• tiristor de bloqueo (Fig. 6.12, c);

• tiristor simétrico o triac, que es equivalente a dos tiristores conectados en antiparalelo (Fig. 6.12, d);

• tiristor inversor de alta velocidad (tiempo de apagado 5-50 μs);

• tiristor de campo, por ejemplo, basado en una combinación de un transistor MOS con un tiristor;

• tiristor óptico controlado por flujo de luz.

Arroz. 6. Designación gráfica convencional de los tiristores: a) — diodo tiristor; b) — tiristor de diodo (dinistor); c) — tiristor de bloqueo; d) - triac

Protección de tiristores

Los tiristores son dispositivos críticos para la tasa de aumento de la corriente directa diA/dt y la caída de tensión duAC/dt. Los tiristores, al igual que los diodos, se caracterizan por el fenómeno de la corriente inversa de recuperación, cuya brusca caída a cero agrava la posibilidad de sobretensiones con un valor elevado de duAC/dt. Tales sobretensiones son el resultado de una interrupción repentina de la corriente en los elementos inductivos del circuito, incluyendo pequeñas inductancias instalación. Por lo tanto, se suelen utilizar varios esquemas CFTCP para proteger los tiristores, que en modos dinámicos brindan protección contra valores inaceptables de diA/dt y duAC/dt.

En la mayoría de los casos, la resistencia inductiva interna de las fuentes de tensión incluidas en el circuito del tiristor incluido es suficiente para que no se introduzca ninguna inductancia LS adicional.Por lo tanto, en la práctica, a menudo existe la necesidad de CFT que reduzcan el nivel y la velocidad de las sobretensiones de disparo (Fig. 7).

Arroz. 7. Circuito típico de protección de tiristores

Los circuitos RC conectados en paralelo con el tiristor generalmente se usan para este propósito. Existen varias modificaciones de circuito de circuitos RC y métodos para calcular sus parámetros para diferentes condiciones de uso de tiristores.

Para los tiristores de bloqueo, los circuitos se utilizan para formar una ruta de conmutación, similar en circuito a los transistores CFTT.