Thyristoren: Funktionsprinzip, Design, Arten und Einschaltmethoden

Das Funktionsprinzip des Thyristors

Ein Thyristor ist ein leistungselektronischer, nicht vollständig steuerbarer Schalter. Daher wird in der Fachliteratur manchmal auch von einem einfach wirkenden Thyristor gesprochen, der nur durch ein Steuersignal in den leitenden Zustand geschaltet, also eingeschaltet werden kann. Zum Abschalten (im Gleichstrombetrieb) müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, dass der Gleichstrom auf Null sinkt.

Ein Thyristorschalter kann Strom nur in eine Richtung leiten und hält im geschlossenen Zustand sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsspannung stand.

Der Thyristor hat eine vierschichtige pnpn-Struktur mit drei Anschlüssen: Anode (A), Kathode (C) und Gate (G), wie in Abb. dargestellt. 1

Reis. 1. Konventioneller Thyristor: a) – konventionelle grafische Bezeichnung; b) — Volt-Ampere-Kennlinie.

In Abb. In Abb. 1b zeigt eine Familie von statischen Ausgangs-I-V-Kennlinien bei verschiedenen Werten des Steuerstroms iG. Die Grenzdurchlassspannung, der der Thyristor standhalten kann, ohne ihn einzuschalten, hat Maximalwerte bei iG = 0.Wenn der Strom zunimmt, verringert iG die Spannung, der der Thyristor standhalten kann. Der Einschaltzustand des Thyristors entspricht dem Zweig II, der Ausschaltzustand entspricht dem Zweig I und der Schaltvorgang entspricht dem Zweig III. Der Haltestrom bzw. Haltestrom ist gleich dem minimal zulässigen Durchlassstrom iA, bei dem der Thyristor leitend bleibt. Dieser Wert entspricht auch dem minimal möglichen Wert des Vorwärtsspannungsabfalls am eingeschalteten Thyristor.

Zweig IV stellt die Abhängigkeit des Leckstroms von der Sperrspannung dar. Wenn die Sperrspannung den Wert UBO überschreitet, beginnt ein starker Anstieg des Sperrstroms, der mit dem Ausfall des Thyristors verbunden ist. Die Art des Durchbruchs kann einem irreversiblen Prozess oder einem Lawinendurchbruchsprozess entsprechen, der dem Betrieb einer Halbleiter-Zenerdiode innewohnt.

Thyristoren sind die leistungsstärksten elektronischen Schalter, die Stromkreise mit Spannungen bis 5 kV und Strömen bis 5 kA bei einer Frequenz von nicht mehr als 1 kHz schalten können.

Der Aufbau von Thyristoren ist in Abb. dargestellt. 2.

Reis. 2. Das Design von Thyristorkästen: a) — Tablett; b) – eine Stecknadel

Gleichstrom-Thyristor

Ein herkömmlicher Thyristor wird eingeschaltet, indem ein Stromimpuls mit positiver Polarität relativ zur Kathode an den Steuerkreis angelegt wird. Die Dauer des Einschaltvorgangs wird maßgeblich von der Art der Last (aktiv, induktiv usw.), der Amplitude und Anstiegsgeschwindigkeit des Steuerstromimpulses iG, der Temperatur der Halbleiterstruktur des Thyristors, die angelegte Spannung und der Laststrom.In einem Stromkreis, der einen Thyristor enthält, dürfen keine unzulässigen Werte der Anstiegsgeschwindigkeit der Durchlassspannung duAC / dt auftreten, bei denen es bei Fehlen des Steuersignals iG und der Geschwindigkeit von zu einer spontanen Aktivierung des Thyristors kommen kann Anstieg vom aktuellen diA/dt. Gleichzeitig muss die Steigung des Steuersignals hoch sein.

Bei den Möglichkeiten zum Abschalten von Thyristoren wird üblicherweise zwischen natürlichem Abschalten (oder natürlichem Schalten) und erzwungenem (oder künstlichem Schalten) unterschieden. Eine natürliche Kommutierung tritt auf, wenn Thyristoren im Moment des Stromabfalls auf Null in Wechselstromkreisen betrieben werden.

Die Methoden des erzwungenen Schaltens sind sehr vielfältig. Die typischsten davon sind die folgenden: Verbinden eines vorgeladenen Kondensators C mit einem Schalter S (Abbildung 3, a); Verbinden einer LC-Schaltung mit einem vorgeladenen Kondensator CK (Abbildung 3 b); die Nutzung der oszillierenden Natur des transienten Prozesses im Lastkreis (Abbildung 3, c).

Reis. 3. Methoden zum künstlichen Schalten von Thyristoren: a) – mittels geladenem Kondensator C; b) — durch oszillierende Entladung des LC-Kreises; c) — aufgrund der schwankenden Art der Ladung

Beim Umschalten gemäß dem Diagramm in Abb. 3 und das Anschließen eines Schaltkondensators mit umgekehrter Polarität, beispielsweise an einen anderen Hilfsthyristor, führt zu einer Entladung zum leitenden Hauptthyristor. Da der Entladestrom des Kondensators gegen den Durchlassstrom des Thyristors gerichtet ist, sinkt dieser auf Null und der Thyristor schaltet ab.

Im Diagramm von Abb. In Fig. 3, b bewirkt die Verbindung des LC-Kreises eine oszillierende Entladung des Schaltkondensators CK.In diesem Fall fließt zu Beginn der Entladestrom entgegengesetzt zu seinem Durchlassstrom durch den Thyristor, wenn sie gleich werden, schaltet der Thyristor ab. Außerdem fließt der Strom des LC-Kreises vom Thyristor VS zur Diode VD. Während der Schleifenstrom durch die Diode VD fließt, wird an den Thyristor VS eine Sperrspannung angelegt, die dem Spannungsabfall an der offenen Diode entspricht.

Im Diagramm von Abb. 3: Der Anschluss eines Thyristors VS an eine komplexe RLC-Last führt zu einem Übergang. Bei bestimmten Parametern der Last kann dieser Vorgang einen oszillierenden Charakter mit einer Änderung der Polarität des Laststroms in haben. In diesem Fall schaltet sich nach dem Ausschalten des Thyristors VS die Diode VD ein, die beginnt, einen Strom von zu leiten entgegengesetzte Polarität. Manchmal wird diese Schaltmethode als quasi-natürlich bezeichnet, da sie eine Änderung der Polarität des Laststroms beinhaltet.

Wechselstrom-Thyristor

Wenn der Thyristor an den Wechselstromkreis angeschlossen ist, sind folgende Vorgänge möglich:

• Ein- und Ausschalten des Stromkreises mit Wirk- und Wirk-Blindlast;

• Änderung der durchschnittlichen und effektiven Stromwerte durch die Last aufgrund der Tatsache, dass das Timing des Steuersignals angepasst werden kann.

Da der Thyristorschalter elektrischen Strom nur in eine Richtung leiten kann, wird für den Einsatz von Wechselstromthyristoren deren Parallelschaltung verwendet (Abb. 4, a).

Reis. 4. Antiparallelschaltung von Thyristoren (a) und Stromform bei aktiver Last (b)

Durchschnittlich und effektiver Strom variieren aufgrund einer Änderung des Zeitpunkts, zu dem Öffnungssignale an die Thyristoren VS1 und VS2 angelegt werden, d. h. durch Änderung des Winkels und (Abb. 4, b).Die Werte dieses Winkels für die Thyristoren VS1 und VS2 während der Regelung werden gleichzeitig durch das Steuersystem geändert. Der Winkel wird Steuerwinkel oder Zündwinkel des Thyristors genannt.

Am weitesten verbreitet in leistungselektronischen Geräten sind die Phasensteuerung (Abb. 4, a, b) und die Thyristorsteuerung mit Impulsbreite (Abb. 4, c).

Reis. 5. Art der Lastspannung bei: a) — Phasenanschnitt des Thyristors; b) — Phasensteuerung eines Thyristors mit Zwangskommutierung; c) — Impulsbreiten-Thyristorsteuerung

Mit der Phasenmethode der Thyristorsteuerung mit Zwangskommutierung ist eine Regelung des Laststroms sowohl durch Winkeländerung möglich ? als auch Winkel ?... Die künstliche Umschaltung erfolgt über spezielle Knoten oder über vollgesteuerte (Sperr-)Thyristoren.

Bei der Pulsweitensteuerung (Pulsweitenmodulation – PWM) wird während Totkr ein Steuersignal an die Thyristoren angelegt, diese sind geöffnet und die Spannung Un liegt an der Last an. Während der Tacr-Zeit fehlt das Steuersignal und die Thyristoren befinden sich im nichtleitenden Zustand. Effektivwert des Stroms in der Last

wo In.m. — Laststrom bei Tcl = 0.

Der Stromverlauf in der Last mit Phasenanschnittsteuerung der Thyristoren ist nicht sinusförmig, was zu Verzerrungen der Form der Spannung des Versorgungsnetzes und Störungen im Betrieb von Verbrauchern führt, die gegenüber hochfrequenten Störungen empfindlich sind – das sogenannte tritt auf. Elektromagnetische Inkompatibilität.

Sperrthyristoren

Thyristoren sind die leistungsstärksten elektronischen Schalter, die zum Schalten von Stromkreisen mit hoher Spannung und hohem Strom verwendet werden.Sie haben jedoch einen erheblichen Nachteil – eine unvollständige Steuerbarkeit, die sich darin äußert, dass zum Ausschalten Bedingungen geschaffen werden müssen, um den Vorwärtsstrom auf Null zu reduzieren. Dies schränkt und erschwert in vielen Fällen den Einsatz von Thyristoren.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurden Thyristoren entwickelt, die durch ein Signal von der Steuerelektrode G gesperrt werden. Solche Thyristoren werden Gate-Off-Thyristoren (GTO) oder Dual-Operation-Thyristoren genannt.

Sperrthyristoren (ZT) haben einen vierschichtigen p-p-p-p-Aufbau, verfügen aber gleichzeitig über eine Reihe wesentlicher Konstruktionsmerkmale, die ihnen eine völlig andere Eigenschaft als herkömmliche Thyristoren verleihen – die Eigenschaft der vollständigen Steuerbarkeit. Die statische I-V-Kennlinie von Abschaltthyristoren in Vorwärtsrichtung ist identisch mit der I-V-Kennlinie herkömmlicher Thyristoren. Der Lock-in-Thyristor ist jedoch meist nicht in der Lage, große Sperrspannungen zu sperren und wird oft mit einer antiparallelen Diode geschaltet. Darüber hinaus zeichnen sich Lock-in-Thyristoren durch erhebliche Durchlassspannungsabfälle aus. Um den Sperrthyristor auszuschalten, ist es notwendig, einen starken negativen Stromimpuls (ungefähr 1:5 im Verhältnis zum Wert des konstanten Ausschaltstroms) an den Stromkreis der Schließelektrode anzulegen, jedoch von kurzer Dauer (10- 100 μs).

Lock-in-Thyristoren haben außerdem niedrigere Abschaltspannungen und -ströme (um etwa 20–30 %) als herkömmliche Thyristoren.

Die wichtigsten Arten von Thyristoren

Mit Ausnahme der Lock-in-Thyristoren wurde eine breite Palette von Thyristoren unterschiedlicher Bauart entwickelt, die sich in Geschwindigkeit, Steuerverfahren, Stromrichtung im leitenden Zustand usw. unterscheiden.Unter ihnen sind folgende Typen zu erwähnen:

• Thyristordiode, die einem Thyristor mit antiparallel geschalteter Diode entspricht (Abb. 6.12, a);

• Diodenthyristor (Dynistor), der bei Überschreiten eines bestimmten Spannungspegels in den leitenden Zustand schaltet und zwischen A und C angelegt wird (Abb. 6, b);

• Sperrthyristor (Abb. 6.12, c);

• symmetrischer Thyristor oder Triac, der zwei antiparallel geschalteten Thyristoren entspricht (Abb. 6.12, d);

• Hochgeschwindigkeits-Wechselrichter-Thyristor (Ausschaltzeit 5-50 μs);

• Feldthyristor, zum Beispiel basierend auf einer Kombination eines MOS-Transistors mit einem Thyristor;

• optischer Thyristor, gesteuert durch Lichtfluss.

Reis. 6. Konventionelle grafische Bezeichnung von Thyristoren: a) — Thyristordiode; b) — Diodenthyristor (Dynistor); c) — Sperrthyristor; d) – Triac

Thyristorschutz

Thyristoren sind entscheidend für die Anstiegsgeschwindigkeit des Durchlassstroms diA/dt und den Spannungsabfall duAC/dt. Thyristoren sind ebenso wie Dioden durch das Phänomen des Sperrverzögerungsstroms gekennzeichnet, dessen starker Abfall auf Null die Möglichkeit von Überspannungen mit einem hohen duAC/dt-Wert erhöht. Solche Überspannungen sind das Ergebnis einer plötzlichen Stromunterbrechung in den induktiven Elementen des Stromkreises, einschließlich kleine Induktivitäten Installation. Daher werden zum Schutz von Thyristoren üblicherweise verschiedene CFTCP-Schemata verwendet, die im dynamischen Modus Schutz vor inakzeptablen Werten von diA/dt und duAC/dt bieten.

In den meisten Fällen reicht der innere induktive Widerstand der im Stromkreis des enthaltenen Thyristors enthaltenen Spannungsquellen aus, so dass keine zusätzliche Induktivität LS eingeführt wird.Daher besteht in der Praxis häufig Bedarf an CFTs, ​​die die Höhe und Geschwindigkeit von Auslösestößen reduzieren (Abb. 7).

Reis. 7. Typische Thyristor-Schutzschaltung

Zu diesem Zweck werden üblicherweise RC-Glieder verwendet, die parallel zum Thyristor geschaltet sind. Es gibt verschiedene Schaltungsmodifikationen von RC-Schaltungen und Methoden zur Berechnung ihrer Parameter für unterschiedliche Einsatzbedingungen von Thyristoren.

Bei Lock-in-Thyristoren werden Schaltkreise verwendet, um einen Schaltpfad zu bilden, der in der Schaltung CFTT-Transistoren ähnelt.