Tristörler: çalışma prensibi, tasarım, türleri ve dahil etme yöntemleri

Tristörün çalışma prensibi

Bir tristör, tam olarak kontrol edilemeyen bir güç elektroniği anahtarıdır. Bu nedenle, bazen teknik literatürde, yalnızca bir kontrol sinyali ile iletken duruma geçebilen, yani açılabilen tek işlemli bir tristör olarak adlandırılır. Kapatmak için (doğru akım çalışmasında), doğru akımın sıfıra düşmesini sağlamak için özel önlemler alınmalıdır.

Bir tristör anahtarı akımı yalnızca bir yönde iletebilir ve kapalı durumda hem ileri hem de geri gerilime dayanabilir.

Tristör, üç uçlu dört katmanlı bir p-n-p-n yapısına sahiptir: Şekil 1'de gösterilen Anot (A), Katot (C) ve Kapı (G). 1

Pirinç. 1. Geleneksel tristör: a) — geleneksel grafik gösterimi; b) — volt-amper karakteristiği.

İncirde. Şekil 1b, kontrol akımı iG'nin farklı değerlerinde bir çıkış statik I - V özellikleri ailesini gösterir. Tristörün açmadan dayanabileceği sınırlayıcı ileri voltaj, iG = 0'da maksimum değerlere sahiptir.Akım arttıkça iG, tristörün dayanabileceği voltajı azaltır. Tristörün açık durumu kol II'ye karşılık gelir, kapalı durumu kol I'e karşılık gelir ve anahtarlama işlemi kol III'e karşılık gelir. Tutma akımı veya tutma akımı, tristörün iletken olmaya devam ettiği minimum izin verilen ileri akım iA'ya eşittir. Bu değer aynı zamanda açık tristör boyunca ileri gerilim düşüşünün mümkün olan minimum değerine karşılık gelir.

Dal IV, kaçak akımın ters gerilime bağımlılığını temsil eder. Ters voltaj UBO değerini aştığında, tristörün arızalanmasıyla ilişkili olarak ters akımda keskin bir artış başlar. Arızanın doğası, bir yarı iletken zener diyodunun işleyişinde bulunan geri döndürülemez bir işleme veya çığ gibi bir bozulma sürecine karşılık gelebilir.

Tristörler, 5 kV'a kadar voltajlara ve 1 kHz'den fazla olmayan bir frekansta 5 kA'ya kadar akımlara sahip devreleri anahtarlayabilen en güçlü elektronik anahtarlardır.

Tristörlerin tasarımı Şek. 2.

Pirinç. 2. Tristör kutularının tasarımı: a) — tablet; b) — bir iğne

DC tristör

Geleneksel bir tristör, katoda göre pozitif polariteye sahip kontrol devresine bir akım darbesi uygulanarak açılır. Açma sırasında geçici durumun süresi, yükün yapısından (aktif, endüktif vb.), kontrol akımı darbesinin genliği ve artış oranından önemli ölçüde etkilenir. iG, tristörün yarı iletken yapısının sıcaklığı, uygulanan voltaj ve yük akımı.Bir tristör içeren bir devrede, ileri gerilim duAC / dt'nin yükselme oranının kabul edilemez değerleri olmamalıdır; burada, iG kontrol sinyali ve oranı yokluğunda tristör kendiliğinden aktivasyonu meydana gelebilir. mevcut diA / dt'den yükselir. Aynı zamanda kontrol sinyalinin eğimi de yüksek olmalıdır.

Tristörleri kapatmanın yolları arasında, doğal kapatma (veya doğal anahtarlama) ile zorunlu (veya yapay anahtarlama) arasında ayrım yapmak gelenekseldir. Doğal komütasyon, akımın sıfıra düştüğü anda alternatif devrelerde tristörler çalıştığında meydana gelir.

Zorunlu anahtarlama yöntemleri çok çeşitlidir, bunlardan en tipik olanları şunlardır: önceden şarj edilmiş bir kapasitör C'yi bir anahtar S ile bağlamak (Şekil 3, a); bir LC devresinin önceden şarj edilmiş bir kapasitör CK ile bağlanması (Şekil 3 b); yük devresinde geçici sürecin salınımlı doğasının kullanılması (Şekil 3, c).

Pirinç. 3. Tristörlerin yapay olarak anahtarlanması için yöntemler: a) — yüklü kapasitör C vasıtasıyla; b) — LC devresinin salınımlı deşarjı aracılığıyla; c) — yükün değişken doğası nedeniyle

Şek. 3 ve ters polariteye sahip bir anahtarlama kondansatörünün, örneğin başka bir yardımcı tristöre bağlanması, bunun iletken ana tristöre boşalmasına neden olacaktır. Kondansatörün deşarj akımı, tristörün ileri akımına karşı yönlendirildiğinden, ikincisi sıfıra düşer ve tristör kapanır.

Şek. Şekil 3, b'de, LC devresinin bağlantısı, anahtarlama kondansatörü CK'nin salınımlı bir deşarjına neden olur.Bu durumda başlangıçta tristörden deşarj akımı ileri akımının tersine akar, eşit olduklarında tristör kapanır. Ek olarak, LC devresinin akımı tristör VS'den diyot VD'ye geçer. Döngü akımı VD diyotundan akarken, tristör VS'ye açık diyottaki voltaj düşüşüne eşit bir ters voltaj uygulanacaktır.

Şek. Şekil 3'te gösterildiği gibi, bir tristör VS'yi karmaşık bir RLC yüküne bağlamak geçici bir duruma neden olur. Yükün belirli parametrelerinde, bu işlem, içindeki yük akımının polaritesinde bir değişiklik ile salınımlı bir karaktere sahip olabilir. Bu durumda, VS tristörünü kapattıktan sonra, bir akım iletmeye başlayan VD diyotu açılır. zıt kutupluluk. Bazen bu anahtarlama yöntemine yarı-doğal denir, çünkü yük akımının polaritesinde bir değişiklik içerir.

AC tristör

Tristör AC devresine bağlandığında, aşağıdaki işlemler mümkündür:

• aktif ve aktif-reaktif yükle elektrik devresinin açılıp kapatılması;

• kontrol sinyalinin zamanlamasının ayarlanabilmesi nedeniyle yük boyunca ortalama ve efektif akım değerlerinin değişmesi.

Tristör anahtarı elektrik akımını yalnızca bir yönde iletebildiğinden, alternatif akım tristörlerinin kullanımı için paralel bağlantıları kullanılır (Şekil 4, a).

Pirinç. 4. Tristörlerin (a) anti-paralel bağlantısı ve aktif yükle (b) akımın şekli

Ortalama ve etkin akım açma sinyallerinin VS1 ve VS2 tristörlerine uygulandığı süredeki bir değişiklik nedeniyle değişir, yani açıyı değiştirerek ve (Şek. 4, b).Düzenleme sırasında VS1 ve VS2 tristörleri için bu açının değerleri kontrol sistemi tarafından eş zamanlı olarak değiştirilir. Açı, tristörün kontrol açısı veya ateşleme açısı olarak adlandırılır.

Güç elektroniği cihazlarında en yaygın olarak kullanılanlar faz (Şekil 4, a, b) ve darbe genişliğine sahip tristör kontrolüdür (Şekil 4, c).

Pirinç. 5. Yük gerilimi türü: a) — tristörün faz kontrolü; b) — zorunlu komütasyonlu bir tristörün faz kontrolü; c) — darbe genişliği tristör kontrolü

Zorla komütasyonlu tristör kontrolünün faz yöntemiyle, yük akımının düzenlenmesi hem açıyı değiştirerek mümkündür hem de açı ?... Yapay anahtarlama, özel düğümler kullanılarak veya tamamen kontrollü (kilitleme) tristörler kullanılarak gerçekleştirilir.

Totkr sırasında darbe genişliği kontrolü (darbe genişliği modülasyonu — PWM) ile tristörlere bir kontrol sinyali uygulanır, bunlar açıktır ve yüke Un gerilimi uygulanır. Tacr süresi boyunca kontrol sinyali yoktur ve tristörler iletken değildir. Yükteki akımın RMS değeri

nerede In.m. — Tcl = 0'da yük akımı.

Tristörlerin faz kontrolü ile yükteki akım eğrisi sinüzoidal değildir, bu da besleme şebekesinin voltajının şeklinin bozulmasına ve yüksek frekanslı bozulmalara duyarlı tüketicilerin çalışmasında bozulmalara neden olur - sözde oluşur. Elektromanyetik uyumsuzluk.

kilitleme tristörleri

Tristörler, yüksek gerilim, yüksek akım (yüksek akım) devrelerini anahtarlamak için kullanılan en güçlü elektronik anahtarlardır.Bununla birlikte, önemli bir dezavantajları vardır - onları kapatmak için ileri akımı sıfıra indirmek için koşullar yaratmanın gerekli olduğu gerçeğinde ortaya çıkan eksik kontrol edilebilirlik. Bu, çoğu durumda tristörlerin kullanımını sınırlar ve zorlaştırır.

Bu dezavantajı ortadan kaldırmak için, kontrol elektrodu G'den gelen bir sinyalle kilitlenen tristörler geliştirilmiştir. Bu tür tristörlere, kapı kapama tristörleri (GTO) veya ikili çalışma denir.

Kilitleme tristörleri (ZT), dört katmanlı bir p-p-p-p yapısına sahiptir, ancak aynı zamanda, onlara geleneksel tristörlerden tamamen farklı - tam kontrol edilebilirlik özelliği - veren bir dizi önemli tasarım özelliğine sahiptir. Kapatma tristörlerinin ileri yöndeki statik I-V karakteristiği, geleneksel tristörlerin I-V karakteristiği ile aynıdır. Bununla birlikte, kilitli tristör genellikle büyük ters voltajları bloke edemez ve genellikle bir anti-paralel diyota bağlanır. Ek olarak, kilitleme tristörleri, önemli ileri voltaj düşüşleriyle karakterize edilir. Kilitleme tristörünü kapatmak için, kapatma elektrotunun devresine, ancak kısa bir süre (10-) ile güçlü bir negatif akım darbesi (sabit kapatma akımının değerine göre yaklaşık 1: 5) uygulamak gerekir. 100 μs ).

Lock-in tristörler ayrıca geleneksel tristörlere göre daha düşük kesme voltajlarına ve akımlarına (yaklaşık %20-30 oranında) sahiptir.

Başlıca tristör tipleri

Kilitlemeli tristörler dışında, hız, kontrol süreçleri, iletken durumdaki akımların yönü vb. bakımından farklılık gösteren çeşitli tiplerde çok çeşitli tristörler geliştirilmiştir.Bunlar arasında aşağıdaki türlere dikkat edilmelidir:

• antiparalel bağlı diyotlu bir tristöre eşdeğer olan tristör diyot (Şekil 6.12, a);

• A ve C arasına uygulanan belirli bir voltaj seviyesi aşıldığında iletken duruma geçen diyot tristör (dynistor) (Şekil 6, b);

• kilitleme tristörü (Şekil 6.12, c);

• iki antiparalel bağlı tristöre eşdeğer simetrik tristör veya triyak (Şekil 6.12, d);

• yüksek hızlı invertör tristör (kapama süresi 5-50 μs);

• örneğin bir MOS transistör ile bir tristör kombinasyonuna dayanan alan tristör;

• ışık akısı tarafından kontrol edilen optik tristör.

Pirinç. 6. Tristörlerin geleneksel grafik gösterimi: a) — tristör diyot; b) — diyot tristör (dynistor); c) — kilitli tristör; d) — triyak

tristör koruması

Tristörler, ileri akım diA / dt'nin artış hızı ve duAC / dt voltaj düşüşü için kritik cihazlardır. Diyotlar gibi tristörler, sıfıra keskin düşüşü yüksek bir duAC / dt değerine sahip aşırı gerilim olasılığını artıran ters toparlanma akımı olgusu ile karakterize edilir. Bu tür aşırı gerilimler, devrenin endüktif elemanlarında ani bir akım kesintisinin sonucudur. küçük endüktanslar kurulum. Bu nedenle, dinamik modlarda kabul edilemez diA / dt ve duAC / dt değerlerine karşı koruma sağlayan tristörleri korumak için genellikle çeşitli CFTCP şemaları kullanılır.

Çoğu durumda, dahil edilen tristörün devresine dahil edilen voltaj kaynaklarının dahili endüktif direnci, ek bir endüktans LS verilmeyecek şekilde yeterlidir.Bu nedenle, pratikte, genellikle açma darbelerinin seviyesini ve hızını azaltan CFT'lere ihtiyaç vardır (Şekil 7).

Pirinç. 7. Tipik tristör koruma devresi

Tristöre paralel bağlanan RC devreleri genellikle bu amaçla kullanılır. RC devrelerinin çeşitli devre modifikasyonları ve tristörlerin farklı kullanım koşulları için parametrelerini hesaplama yöntemleri vardır.

Kilitlemeli tristörler için devreler, devrede CFTT transistörlerine benzer şekilde bir anahtarlama yolu oluşturmak için kullanılır.