Винахід ртутних керованих випрямлячів в 1920 р зробило можливим управління напругою на навантаженні шляхом зміни кута провідності випрямляча Кількома роками пізніше було освоєно виробництво газонаповнених тиратронів, які дозволили використовувати цей принцип управління напругою і в малопотужному обладнанні Ці прилади використовувалися в драйверах електродвигунів, зварювальному обладнанні і безлічі інших областей, але їх недостатня надійність і коефіцієнт корисної дії укупі з порівняно високою ціною обмежували їх придатність

Інший групою приладів, які реалізовували ідеї фазового контролю, були реактори з регулюванням насичення магнітопровода і магнітні підсилювачі Реактори з регулюванням насичення використовувалися багато років у додатках, які допускали їх низька швидкодія Істотне поліпшення їх характеристик було досягнуто після освоєння виробництва магнітних матеріалів з прямокутною петлею гистерезиса На початку 50-х рр. минулого століття комбінації з магнітних підсилювачів і селенових випрямлячів з малими (на ті часи) струмами витоку використовувалися навіть в системах автоматичного пілотування військових літаків, і все ж їх низька швидкодія і велику вагу робили ці прилади далекими від ідеалу

Тиристори

Розробка тиристорів (кремнієвих керованих вимикачів) наприкінці 50-х рр. 20-го століття породила масу нових систем в силовій електроніці Застосування тиристорів не тільки зробило можливим випрямляючи

ня великих значень змінного струму і напруги, а й дозволило управляти вихідними параметрами випрямлячів з використанням малопотужних сигналів А час відгуку при управлінні із застосуванням тиристорів вже визначалося тільки частотою в лінії електроживлення Швидкий розвиток і вдосконалення параметрів тиристорів дозволило до теперішнього часу досягти рівнів 10 кВ і 10 кА в одному приладі Тиристори можуть бути зєднані і послідовно, і паралельно, так що рівні керованих напруг і потужностей практично не обмежені ^

Tірістор складається з чотирьох шарів кремнію Pи n-типу, з виведенням керуючого електрода, який служить для ініціації лавинного пробою при включенні На Рис 101 наведена схема аналога тиристора, що складається з двох транзисторів У відсутність сигналу на керуючому електроді ця схема проводить лише незначний струм витоку При подачі між керуючим електродом і катодом напруги керування тиристор переходить в провідний стан, в якому опір між анодом і катодом дуже мало До анода має бути докладено напруга позитивної полярності по відношенню до катода У провідному стані тиристор знаходиться до тих пір, поки не зміниться полярність напруги анод-катод

Рис 101 Еквівалентна схема тиристора і його волт-амперниехаракгперістікі

У процесі включення тиристор проходить через перехідний період, коли напруга на ньому ще велике, а струм вже великий Для зменшення втрат енергії й нагрівання кристала тиристора час перемикання необхідно робити якомога менше Час повного включення тиристора

‘* Про послідовному і паралельному зєднанні тиристорів докладніше див гол 11 – Прямуючи пер

займає до декількох мікросекунд, що повязано з поширенням провідної області в кристалі від зони розташування керуючого електрода на всю площу структури Тиристори, здатні працювати при високій швидкості наростання струму (di / dt), часто роблять з полосообразнимі керуючими електродами

Імпульс управління тиристора зазвичай досягає декількох ампер за 500 нс або навіть за менший час, 5 .. 10 мкс утримується на цьому або трохи меншому рівні, а потім залишається рівним приблизно 500 мА протягом часу, за який завершується включення Існує безліч одной багатоімпульсної варіантів управління тиристорами, але для всіх них спільним є використання для управління напруги порядку декількох десятків вольт і ланцюги обмеження струму Для тиристорів, призначених для роботи при частотах вище звичайних 50 або 60 Гц, а також здатних працювати при високій di / dt, можуть бути більш екзотичні вимоги з управління Звичайно, необхідно ретельно вивчати довідкові дані виготовлювачів тиристорів, але питання втрат при включенні не завжди беруться в розрахунок при роботі на промислових частотах На Рис 102 наведена типова форма імпульсу управління тиристором Сигнал управління на тиристор слід подавати через скручену пару проводів або коаксіальний кабель

Рис 102 Типоваяформаимпульсауправления

Процес вимкнення тиристора лише небагато чим складніше його включення Провідність тиристора можлива за наявності носіїв заряду в кремнії, і, перш ніж тиристор перейде в замкнений стан, ці носії повинні розсіятися (розсмоктатися) Поки носії заряду НЕ розсмокчуться, тиристор здатний проводити струм у зворотному напрямку так само, як і в прямому У технічній документації на тиристори зазвичай наводяться два параметри, які стосуються процесу вимикання Це заряд зворотного відновлення QRR і максимальний зворотний струм /RR Обидва цих параметра залежать від температури кристала і швидкості зміни струму в ланцюзі при переході його через нуль і зміні полярності

Процес відновлення опору тиристора може бути промодельований з використанням найпростішої компютерної програми На Рис 103 наведено графік, що описує цей процес, запропонований Валдмейером (Waldmeyer) і Беклунд (Backlund) з ABB semiconductor operation, Швейцарія Для визначення di / dt ланцюга тиристор спочатку представляється короткозамкненим Струм у ланцюзі зменшується до нуля, змінює полярність і досягає значення 1Ш Час від моменту переходу струму через нуль до досягнення значення IRR, tx, Одно IRR/ (Di / dt), а накопичений за цей час заряд Qi дорівнює (/RR£ x) / 2После досягнення максимального значення /RR зворотний струм через тиристор спадає за експоненціальним законом до нуля Якщо розраховане вище значення Qj відняти з QRR, Взятого з технічної документації, то вийде Q2Струм в процесі його спаду описується виразом i = /RRe_/T, Де t – час від моменту досягнення струмом значення IRR, А x = Qi / hmВ самому початку швидкість спаду цього струму dir/ Dt дорівнює /RR/ T Відзначимо, що вона може бути в кілька разів більше di / dt ланцюга, що здатне привести до виникнення кидків напруги на тиристорі Наведене вище опис замикання тиристора є, звичайно, вельми спрощеною версією реальних процесів, але цілком достатньо для розрахунку демпфирующих ланцюгів

Рис 103 Струм через тиристор при його виключенні

На Рис 103 показаний струм через тиристор, а напруги в ланцюзі залишилися за кадром Їх можна визначити за допомогою еквівалентної схеми, наведеної на Рис 104 У цій схемі паралельно тиристору включена демпфуюча ланцюг, що складається з послідовно зєднаних резистора і конденсатора Така ланцюг майже завжди потрібно в схемах з тиристорами Індуктивність в ланцюзі тиристора визначає швидкість зміни струму через нього при виключенні Спочатку, поки тиристор ще проводить струм у зворотному напрямку, ЛС-ланцюг їм замкнута і струми I \ та /2 рівні між собою, а струм / 3 = 0 Токи I \ та /2 зростають до значення / RR тиристора, а потім тиристор починає виступати в ролі джерела струму з струмом /2, Уменьшающимся за експоненціальним законом, як це показано на Рис 103 Параметри ланцюга можуть бути знайдені шляхом чисельного рішення системи рівнянь, наведених на Рис 104

Рис 104 Еквівалентна схема тиристора з демпфирующей ланцюгом і описують її

рівняння

Моделювання цього ланцюга дає масу цікавих і корисних результатів Найважливішим є амплітуда кидка зворотної напруги, що потрапляє на тиристор Демпфуюча ланцюг повинна бути розрахована так, щоб кидки напруги в схемі не перевищували максимально допустимої зворотної напруги тиристора, т e забезпечувалися хороші демпфуючі властивості цього ланцюга У розрахунок слід приймати і ціну конденсатора, який повинен бути призначений для застосування в ланцюгах змінного струму, і виділення потужності на резистори, який повинен бути безиндуктівного типу Слід брати до уваги і обмеження на значення di / dt тиристора, яке диктує необхідність зниження струму розряду конденсатора в демпфирующей ланцюга при включенні тиристора При визначенні потужності, що виділяється на резисторі, слід враховувати втрати як при виключенні тиристора, так і при його включенні Відзначимо, що в безлічі схем використовується декілька демпфирующих ланцюгів, взаємодіючих між собою, і значення їх ємностей і опорів повинні враховуватися при моделюванні та розрахунках Наприклад, для трифазного двухполупериодного перетворювача еквівалентний опір КЩ одно 3R / 5, де R – номінальний опір в кожній з демпфирующих ланцюгів Еквівалентна ємність СЩ дорівнює 5C/3 З цих співвідношень можна визначити і номінальні значення опору, і ємності в демпфирующих ланцюгах Для зменшення послідовної індуктивності демпфирующие ланцюга слід встановлювати як можна ближче до тиристору

Деякі виробники приводять параметр «s», який може бути використаний для визначення постійної часу спаду струму Максимальна швидкість спаду струму di / dt при цьому дорівнює швидкості зменшення струму в ланцюзі di / dt, поділеній на значення «s» Для тиристорів типове значення «5» становить 033, адля некоторихдіодов – всього 01 Постійна часу в експоненті, т, дорівнює, як і раніше, /RR/(di,/dt)

Дуже важливо, щоб зворотна напруга на тиристорі в процесі його відновлення не перевищило робочої напруги варистора, використовуваного для захисту від перенапруг при перехідних процесах В іншому випадку можливий перегрів і руйнування варистора Варистори призначені для захисту тільки від рідкісних випадкових перенапруг, і не можуть працювати при повторюваних кидках напруги, таких як при відновленні тиристорів

Енергія, що виділяється при відновленні тиристорів, може бути визначена шляхом інтегрування за часом твори / RR-VR Однак для великих тиристорів це не тривіальне завдання навіть на промислових частотах Зазвичай ці втрати, залежно від струму й кута провідності на промисловій частоті, наводяться виготовлювачами в технічній документації на тиристори А от при роботі на високих частотах через того, що дані втрати пропорційні частоті, визначення цих втрат вимагає самого серйозного ставлення

Пряме падіння напруги

Залежність прямого падіння напруги на тиристорі у включеному стані від струму має нелінійний вигляд У той же час саме це падіння напруги визначає максимально допустимий струм тиристора Більшість виготовлювачів тиристорів в технічній документації призводять сімейство залежностей цього струму від кута провідності У випадках, коли режим застосування тиристора не підходить під наявні залежності, доводиться розраховувати втрати виходячи з форми імпульсів струму і залежності прямого падіння напруги від струму Наприклад, в трифазній мостовій схемі тиристор проводить струм близько 120 ° за кожен період Для розрахунку втрат слід проінтегрувати твір IV з урахуванням реальної форми струму і напруги Для отримання середнього значення втрат за період результат інтегрування треба розділити на 3 Необхідно відзначити, що втрати не можна визначити, використовуючи тільки середній струм

Порівняємо втрати у двох ідентичних тиристорів, що працюють з різними робочими циклами Нехай у першій робочий цикл становить 10% при струмі 100 А, так що середній струм дорівнює 10 А, а у другого робочий цикл – 100%, і через нього тече постійний струм 10 А Припустимо, що опір тиристора одно 01 Ом Тоді у першій тиристора імпульсна розсіює потужність виявиться рівною 1000 Вт, а середня – 100 Вт, у той час як у другого – тільки 10 Вт При цьому пікова температура кристала у першого тиристора буде більш ніж в 10 разів вище, ніж у другого

Наведені вище міркування мали своєю метою звернути увагу читача на необхідність ретельного вивчення технічної документації та іншої доступної літератури для правильного конструювання тиристорних схем

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)