Tiristores: princípio de operação, design, tipos e métodos de inclusão

O princípio de funcionamento do tiristor

Um tiristor é um interruptor eletrônico de potência, não totalmente controlável. Portanto, às vezes na literatura técnica é chamado de tiristor de operação única, que pode ser mudado para um estado de condução apenas por um sinal de controle, ou seja, pode ser ligado. Para desligá-lo (em operação em corrente contínua), medidas especiais devem ser tomadas para garantir que a corrente contínua caia a zero.

Uma chave tiristorizada pode conduzir corrente apenas em uma direção e, no estado fechado, é capaz de suportar tensões diretas e reversas.

O tiristor possui uma estrutura p-n-p-n de quatro camadas com três terminais: ânodo (A), cátodo (C) e portão (G), que é mostrado na Fig. 1

Arroz. 1. Tiristor convencional: a) — designação gráfica convencional; b) — característica volt-ampère.

Na fig. 1b mostra uma família de características estáticas I - V de saída em diferentes valores da corrente de controle iG. A tensão direta limite que o tiristor pode suportar sem ligá-lo tem valores máximos em iG = 0.À medida que a corrente aumenta, iG diminui a tensão que o tiristor pode suportar. O estado ligado do tiristor corresponde ao ramo II, o estado desligado corresponde ao ramo I e o processo de comutação corresponde ao ramo III. A corrente de retenção ou corrente de retenção é igual à corrente direta mínima permitida iA na qual o tiristor permanece conduzindo. Este valor também corresponde ao valor mínimo possível da queda de tensão direta no tiristor ligado.

O ramo IV representa a dependência da corrente de fuga da tensão reversa. Quando a tensão reversa excede o valor de UBO, começa um aumento acentuado na corrente reversa, associado à falha do tiristor. A natureza da avaria pode corresponder a um processo irreversível ou a um processo de avalanche inerente à operação de um diodo zener semicondutor.

Os tiristores são os interruptores eletrônicos mais poderosos, capazes de comutar circuitos com tensões de até 5 kV e correntes de até 5 kA a uma frequência não superior a 1 kHz.

O design dos tiristores é mostrado na fig. 2.

Arroz. 2. O projeto de caixas de tiristores: a) — comprimido; b) — um alfinete

DC tiristor

Um tiristor convencional é ligado pela aplicação de um pulso de corrente ao circuito de controle com polaridade positiva em relação ao cátodo. A duração do transiente durante a ativação é significativamente afetada pela natureza da carga (ativa, indutiva, etc.), a amplitude e a taxa de aumento do pulso de corrente de controle iG, a temperatura da estrutura semicondutora do tiristor, a tensão aplicada e a corrente de carga.Em um circuito contendo um tiristor, não deve haver valores inaceitáveis ​​\u200b\u200bda taxa de aumento da tensão direta duAC / dt, onde a ativação espontânea do tiristor pode ocorrer na ausência do sinal de controle iG e a taxa de aumento da corrente diA / dt. Ao mesmo tempo, a inclinação do sinal de controle deve ser alta.

Entre as formas de desligar os tiristores, costuma-se distinguir entre desligamento natural (ou comutação natural) e forçado (ou comutação artificial). A comutação natural ocorre quando os tiristores operam em circuitos alternados no momento em que a corrente cai para zero.

Os métodos de chaveamento forçado são muito diversos, sendo os mais típicos os seguintes: conectar um capacitor pré-carregado C com uma chave S (Figura 3, a); conectar um circuito LC com um capacitor pré-carregado CK (Figura 3 b); o uso da natureza oscilatória do processo transiente no circuito de carga (Figura 3, c).

Arroz. 3. Métodos de comutação artificial de tiristores: a) — por meio do capacitor carregado C; b) — por meio de descarga oscilatória do circuito LC; c) — devido à natureza flutuante da carga

Ao comutar de acordo com o diagrama da fig. 3 e conectar um capacitor de comutação de polaridade reversa, por exemplo, a outro tiristor auxiliar, fará com que ele descarregue no tiristor principal condutor. Como a corrente de descarga do capacitor é direcionada contra a corrente direta do tiristor, esta diminui para zero e o tiristor desliga.

No diagrama da fig. 3, b, a conexão do circuito LC causa uma descarga oscilante do capacitor de comutação CK.Nesse caso, no início, a corrente de descarga flui pelo tiristor oposta à sua corrente direta, quando se igualam, o tiristor desliga. Além disso, a corrente do circuito LC passa do tiristor VS para o diodo VD. À medida que a corrente de loop flui através do diodo VD, uma tensão reversa igual à queda de tensão no diodo aberto será aplicada ao tiristor VS.

No diagrama da fig. 3, conectar um tiristor VS a uma carga RLC complexa causará um transiente. Com certos parâmetros da carga, esse processo pode ter um caráter oscilatório com mudança na polaridade da corrente de carga. Nesse caso, após desligar o tiristor VS, o diodo VD liga, que passa a conduzir uma corrente de polaridade oposta. Às vezes, esse método de comutação é chamado de quase natural porque envolve uma mudança na polaridade da corrente de carga.

AC tiristor

Quando o tiristor está conectado ao circuito CA, as seguintes operações são possíveis:

• ligar e desligar o circuito elétrico com carga ativa e ativo-reativa;

• alteração nos valores de corrente média e efetiva através da carga devido ao fato de ser possível ajustar o tempo do sinal de controle.

Como a chave do tiristor é capaz de conduzir corrente elétrica em apenas uma direção, então, para o uso de tiristores de corrente alternada, sua conexão paralela é usada (Fig. 4, a).

Arroz. 4. Conexão antiparalela dos tiristores (a) e a forma da corrente com uma carga ativa (b)

média e corrente efetiva variam devido a uma mudança no tempo em que os sinais de abertura são aplicados aos tiristores VS1 e VS2, ou seja, alterando o ângulo e (Fig. 4, b).Os valores deste ângulo para os tiristores VS1 e VS2 durante a regulação são alterados simultaneamente pelo sistema de controle. O ângulo é chamado de ângulo de controle ou ângulo de disparo do tiristor.

Os mais amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos de potência são controle de fase (Fig. 4, a, b) e tiristor com largura de pulso (Fig. 4, c).

Arroz. 5. Tipo de tensão de carga em: a) — controle de fase do tiristor; b) — controle de fase de um tiristor com comutação forçada; c) — controle de tiristor de largura de pulso

Com o método de controle de tiristor de fase com comutação forçada, a regulação da corrente de carga é possível alterando o ângulo ? e o ângulo ?... A comutação artificial é realizada usando nós especiais ou usando tiristores totalmente controlados (travamento).

Com controle de largura de pulso (modulação de largura de pulso - PWM) durante Totkr, um sinal de controle é aplicado aos tiristores, eles são abertos e a tensão Un é aplicada à carga. Durante o tempo Tacr, o sinal de controle está ausente e os tiristores estão em um estado não condutor. Valor RMS da corrente na carga

onde In.m. — corrente de carga em Tcl = 0.

A curva de corrente na carga com controle de fase dos tiristores é não senoidal, o que causa distorção da forma da tensão da rede de alimentação e distúrbios no trabalho de consumidores sensíveis a distúrbios de alta frequência - os chamados ocorrem. Incompatibilidade eletromagnética.

Tiristores de bloqueio

Os tiristores são os interruptores eletrônicos mais poderosos usados ​​para alternar circuitos de alta tensão e alta corrente (alta corrente).No entanto, eles têm uma desvantagem significativa - controlabilidade incompleta, que se manifesta no fato de que, para desligá-los, é necessário criar condições para reduzir a corrente direta a zero. Isso em muitos casos limita e complica o uso de tiristores.

Para eliminar essa desvantagem, foram desenvolvidos tiristores que são bloqueados por um sinal do eletrodo de controle G. Esses tiristores são chamados de tiristores gate-off (GTO) ou operação dupla.

Os tiristores de travamento (ZT) têm uma estrutura p-p-p-p de quatro camadas, mas ao mesmo tempo possuem vários recursos de design significativos que os tornam completamente diferentes dos tiristores tradicionais - a propriedade de total controlabilidade. A característica estática I-V dos tiristores de desligamento na direção direta é idêntica à característica I-V dos tiristores convencionais. No entanto, o tiristor lock-in geralmente é incapaz de bloquear grandes tensões reversas e geralmente é conectado a um diodo antiparalelo. Além disso, os tiristores lock-in são caracterizados por quedas de tensão diretas significativas. Para desligar o tiristor de bloqueio, é necessário aplicar um poderoso pulso de corrente negativa (aproximadamente 1: 5 em relação ao valor da corrente constante de desligamento) no circuito do eletrodo de fechamento, mas com curta duração (10- 100µs).

Os tiristores lock-in também têm tensões e correntes de corte mais baixas (em cerca de 20-30%) do que os tiristores convencionais.

Os principais tipos de tiristores

Com exceção dos tiristores lock-in, uma ampla gama de tiristores de vários tipos foi desenvolvida, diferindo em velocidade, processos de controle, direção de correntes no estado de condução, etc.Entre eles, destacam-se os seguintes tipos:

• diodo tiristor, que é equivalente a um tiristor com um diodo conectado antiparalelo (Fig. 6.12, a);

• diodo tiristor (dynistor), comutando para um estado condutivo quando um determinado nível de tensão é excedido, aplicado entre A e C (Fig. 6, b);

• tiristor de bloqueio (Fig. 6.12, c);

• tiristor simétrico ou triac, que é equivalente a dois tiristores conectados antiparalelos (Fig. 6.12, d);

• tiristor de inversor de alta velocidade (tempo de desligamento 5-50 μs);

• tiristor de campo, por exemplo, baseado na combinação de um transistor MOS com um tiristor;

• tiristor óptico controlado por fluxo de luz.

Arroz. 6. Designação gráfica convencional de tiristores: a) — diodo tiristor; b) — diodo tiristor (dynistor); c) — tiristor de bloqueio; d) — triac

Proteção do tiristor

Os tiristores são dispositivos críticos para a taxa de aumento da corrente direta diA / dt e a queda de tensão duAC / dt. Os tiristores, como os diodos, são caracterizados pelo fenômeno da corrente de recuperação reversa, cuja queda brusca para zero agrava a possibilidade de sobretensões com alto valor duAC / dt. Tais sobretensões são o resultado de uma interrupção repentina da corrente nos elementos indutivos do circuito, incluindo pequenas indutâncias instalação. Portanto, vários esquemas CFTCP são geralmente usados ​​​​para proteger tiristores, que em modos dinâmicos fornecem proteção contra valores inaceitáveis ​​​​de diA / dt e duAC / dt.

Na maioria dos casos, a resistência indutiva interna das fontes de tensão incluídas no circuito do tiristor incluído é suficiente para que nenhuma indutância adicional LS seja introduzida.Portanto, na prática, muitas vezes há a necessidade de CFTs que reduzam o nível e a velocidade dos surtos de disparo (Fig. 7).

Arroz. 7. Circuito típico de proteção do tiristor

Circuitos RC conectados em paralelo com o tiristor são geralmente usados ​​para essa finalidade. Existem várias modificações de circuitos de circuitos RC e métodos de cálculo de seus parâmetros para diferentes condições de uso de tiristores.

Para tiristores lock-in, os circuitos são usados ​​para formar um caminho de comutação, semelhante em circuito aos transistores CFTT.