Ключи на тиристорах

4.7 Ключи на тиристорах

Тиристоры составляют наиболее широкий класс полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением и предназначены в основном для коммутации токов и напряжений в сильноточных схемах. Большое число типов тиристоров с разнообразными характеристиками определяют многообразие ключевых и коммутирующих схем на их основе, тем не менее, общее свойство этих приборов - S-образная вольтамперная характеристика - позволяет обобщенно подходить к анализу статических и динамических свойств тиристорных ключей.

Для обеспечения работы ключа в двух устойчивых режимах его нагрузочная прямая должна пересекать вольт-амперную характеристику в трех точках (/, 2, 3) (рис. ???)) из которых положения 1 и 3 являются устойчивыми. Если при отсутствии входного сигнала приложенное к тиристору прямое напряжение не превышает U_ВКЛ, то ключ находится в закрытом состоянии. Однако с приближением напряжения на тиристоре к величине, равной U_ВКЛ, закрытое состояние оказывается неустойчивым. Более того, некоторые образцы тиристоров могут самопроизвольно отпираться при выдержке под напряжением, значительно меньшем U_ВКЛ, что проявляется особенно сильно с увеличением, температуры. Поэтому закрытое состояние тиристора характеризуется лишь частью напряжения U_ВКЛ, т. е. максимально допустимым прямым напряжением U_{ПР.МАКС}, находясь под которым прибор должен оставаться закрытым в течение всего срока службы.

Для трехэлектродных тиристоров значение U_{ПР.МАКС} можно увеличить, если зашунтировать управляющий переход или подать на него отрицательное смещение, что вызывает протекание в цепи управляющего электрода запирающего тока I_У.ОБР, причем в случае шунтирования управляющего перехода ток I_У.ОБР является частью тока анода, ответвляющейся в цепь шунта.

Сопротивление тиристорного ключа в закрытом состоянии определяется током утечки в прямом направлении I_УТ, измеренным при напряжении U_{ПР.МАКС} и максимально допустимой температуре, и током I_К0 центрального перехода П₂. Это позволяет использовать в качестве эквивалентной схемы тиристора в закрытом состоянии сопротивление, величина которого равна R_ОБР, и источник тока I_К0 .

Сопротивление ключа в открытом состоянии определяется остаточным напряжением U_ОБР, измеренным при протекании максимального прямого тока I_ПР.МАХ, который задается исходя из максимально допустимой мощности рассеивания на тиристоре Р_МАХ. Это позволяет заменить открытый тиристор эквивалентным сопротивлением R_ПР. величина которого равна R_ПР = U_ОСТ/ I_ПР.МАХ и источником напряжения U_ОСТ.

Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно осуществляться подачей отпирающего импульса в цепь управления для трехэлектродных приборов - триодных (ТТ) и запираемых (ЗТ) тиристоров или в цепь анод-катод для диодных тиристоров (ДТ). Между амплитудой импульса U_{ВКЛ.ИМП}, переключающего ДТ в открытое состояние, которую в соответствии со справочными обозначениями, принятыми для диодных тиристоров, будем обозначать U_ПУСК, и статическим значением U_ВКЛ не существует корреляционного соответствия. Амплитуда U_ПУСК в основном зависит от длительности фронта импульса отпирающего напряжения на аноде тиристора t_Ф, емкости участка анод-катод закрытого диодного тиристора C_ДТ≈ C_П2 где C_П2 - емкость центрального р-n перехода, а следовательно, и от внутреннего сопротивления генератора отпирающих импульсов R_ВН.

Для отпирания импульсного ключа, выполненного на трехэлектродном приборе (ТТ или ЗТ), и запирания ключа на ЗТ необходимо обеспечить протекание определенного импульса тока в цепи управления тиристора. Амплитуда этого импульса, прежде всего, зависит от его длительности, а при запирании - и от величины прямого тока анода I_ПР, протекающего через открытый тиристор.

Одним из основных параметров, характеризующих процесс отпирания трехэлектродных тиристоров, является импульсный ток спрямления I_СПР, под которым следует понимать минимальную амплитуду положительного импульса тока управления заданной длительности, переключающего тиристор в открытое состояние при определенном напряжении на аноде.

Рекомендуемые материалы

Поскольку импульсный ток управления I_У.ОБР запирающий тиристор, зависит от тока анода I_ПР, то управляемость запираемого тиристора характеризуется импульсным коэффициентом запирания B_ЗАП = I_ПР/I_ЗАП (при I_У.ОБР = I_ЗАП тиристор запирается).

Длительность процесса отпирания характеризуется временем задержки t_З (ток анода возрастает до 0,1 I_ПР) и временем установления прямого сопротивления t_УСТ (ток анода изменяется от 0, I_ПР до 0,9 I_ПР), которые в сумме составляют время включения t_ВКЛ, а длительность процесса запирания характеризуется временем запаздывания t_ЗП (ток анода уменьшается до 0,9 I_ПР) и временем спада t_СП (ток анода изменяется от 0,9 I_ПР до 0,1 I_ПР), которые в сумме составляют время запирания t_ЗАП.

Время переключения тиристорного ключа, несмотря на действие сильной внутренней положительной обратной связи составляет существенно большую величину, чем аналогичный параметр у транзисторных ключей. Это объясняется режимом глубокого насыщения p-n-p-n - структуры и связанным с ним накоплением и рассасыванием большого объемного заряда. Из-за этого время включения тиристора составляет единицы микросекунд, а выключения - десятки и сотни микросекунд, уменьшаясь у высокочастотных тиристоров и тиристоров, прямой ток которых существенно меньше максимально допустимого.

Заметим, что при активно-индуктивном характере нагрузки тиристорного ключа нарастание прямого тока определяется не только и не столько инерционностью самого прибора, сколько постоянной времени нагрузки. Для таких ключей длительность управляющих импульсов выбирается не только по минимально заданным справочным данным, но и в зависимости от постоянной времени нагрузки, учитывая, что в течении длительности импульса управления прямой ток должен успеть превысить величину I_ВЫКЛ.

 К числу параметров, характеризующих отпирание тиристорного ключа, следует отнести и максимально допустимую скорость нарастания анодного тока (dI_ПР/dt)_MAX. Ограничение скорости (dI_ПР/dt) сверху обусловлено влиянием неодномерных явлений на процесс отпирания тиристора и оказывается особенно сильным в режимах, когда амплитуда импульса прямого тока I_ПР.ИМП >> I_ПР.МАХ. Значения (dI_ПР/dt) иI_{ПР.ИМП.МАХ}. зависят от длительности импульсов прямого тока и частоты их следования.

Построение и расчет цепей отпирания, выключения и запирания тиристорных ключей являются первоочередными задачами, которые приходится решать при проектировании тиристорных устройств. При этом под выключением тиристоров понимается их выключение пo анодной цепи, а под запиранием - выключение по цепи управляющего электрода.

Анализ цепей отпирания. Цепь отпирания должна обеспечить включение от импульса сигнала управления, защиту тиристора от отпирающего импульса помехи и запас по минимально допустимому режиму входной цепи прибора. Эти требования необходимо удовлетворить в заданном диапазоне внешних, например, температурных, воздействий для любого тиристора выбранного типа.

Для обеспечения гарантированного включения тиристора и исключения его срабатывания от сигнала помехи U_ПОМ необходимо удовлетворить неравенства

                                                               (4.7.1)

                                                       (4.7.2)

 где U_ПОМ.У и I_ПОМ.У - допустимые значения напряжения и тока помехи, действующей в управляющей цепи.

В случае индуктивного характера нагрузки (рис. 4.7.1-а) длительность импульса управления необходимо увеличить до значения

                                

где I_ПР - установившееся значение тока нагрузки; - постоянна» времени цепи нагрузки; τ_Н = L_Н/R_Н; t_ВКЛ - длительность импульса управления при чисто активной нагрузке.

Для уменьшения длительности управляющих импульсов индуктивную нагрузку целесообразно шунтировать активным сопротивлением или последовательной RС-цепью (рис. 4.7.1-б и -в), параметры которых для схемы рис. 4.7.1, а выбираются из условия

                                    

а для схемы рис. 4.7.1.

                      ;

Применение резистивно-емкостного шунта уменьшает потери мощности по сравнению с чисто резистивным шунтом, однако при

                               

 в схеме могут возникнуть колебательные процессы.Основные схемы цепей отпирания ключей на тиристорах показаны на рис. 4.7.2. Включение диода в управляющую цепь тиристора (рис. 4.7.2, -а и -б) исключает протекание обратного тока через управляющий переход, что не допускается для обычных триодных тиристоров, а включение R_Ш повышает устойчивость тиристоров против самопроизвольного включения В схеме (рис. 4.7.2-б) роль сопротивления шунта играет малое по постоянному току сопротивление выходной обмотки трансформатора. Включение разделительной емкости C_Р в схеме рис. 4.7.2-в позволяет сформировать управляющий импульс с формой, близкой к оптимальной, т. е. крутым и большим по амплитуде передним фронтом и экспоненциально убывающей вершиной.

Схемы цепей отпирания ключей на диодных тиристорах приведены на рис. 4.7.2 г-е. При подаче короткого импульса положительной (рис 4.7.2-г) или отрицательной (рис. 4.7.2-д) полярности в цепи анод - катод тиристора через емкость центрального перехода C_П2 = C_S протекает ток, который обеспечивает накопление в базах S заряда Q_ВКЛ, необходимого для отпирания прибора. Диод D₁ увеличивает входное сопротивление схемы. Для отпирания S в схеме рис. 4.7.2-д должны выполняться неравенства

                          и

а в схеме рис. 4.7.2 -г и д - неравенства

                             и

где t_Ф.МАХ - максимальная длительность фронта входного импульса C_S - емкость тиристора.

Анализ цепей выключения. Для выключения тиристора по аноду необходимо уменьшить протекающий через тиристор ток до величины меньшей I_ВЫКЛ.MIN, на время большее t_ВЫКЛ. В цепях постоянного тока эта задача решается с помощью транзисторного ключа или коммутирующих реактивных элементов

Схемы выключения тиристорного ключа с последовательным и параллельным транзисторами показаны на рис. 4.7.3 –а и -б. Последовательный

транзистор, запираясь оложительным импульсом, прерывает протекание тока через тиристор на время t_И > t_ВЫКЛ. Дополнительное подключение Е₀ повышает надежность выключения, компенсируя ток I_К0 закрытого транзистора, и способствует повышению скорости рассасывания объемного заряда и, тем самым, уменьшает время выключения тиристора.

В схеме с параллельным транзистором при его отпирании основная часть анодного тока тиристора ответвляется через транзистор, прямой ток тиристора уменьшается ниже I_ВЫКЛ.MIN и тиристор запирается. Для повышения надежности запирания последовательно с тиристором можно включить диод D, который увеличивает остаточное напряжение и сопротивление шунтируемой транзистором цепи и тем самым уменьшает протекающий в ней при открытом транзисторе ток.

Поскольку в тиристорных ключах с транзисторными схемами выключения рассасывание накопленного в структуре заряда происходит только за счет процессов рекомбинации, то время выключения тиристоров затягивается, а амплитуды коммутируемых токов и напряжений, определяемые характеристиками транзисторов, ограничивают область применения тиристорных ключей. Такие схемы выключения применяются только для маломощных тиристоров.

Более широко в импульсной технике используются схемы выключения с помощью заряженного конденсатора и вспомогательного тиристора. Суть работы этих схем выключения заключается в том, что предварительно заряженный конденсатор с помощью вспомогательного тиристора подключается к основному тиристору таким образом, что ток его разряда направлен навстречу прямому току основного тиристора, что обеспечивает его форсированное запирание. Коммутирующий конденсатор С может быть подключен с помощью вспомогательного тиристора S2 параллельно основному тиристору S1 (рис. 4.7.4 –а-в), параллельно нагрузке (рис. 4.7.5 -г и д) или к соединенным последовательно тиристору S1 и нагрузке (рис. 4.7.4-е). Соответственно различают параллельную (рис. 4.7.4, а-д) и последовательную (рис. 4.7.4 -е) коммутации.

Параметры коммутирующей емкости С и дросселя L рассчитывают исходя из условия, при котором на основном тиристоре за время перезаряда конденсатора до нуля сохраняется обратное напряжение течение отрезка времени длительностью не меньше t_ВЫКЛ. Заряд конденсаторов С обеспечивается специальной зарядной цепью, которая на рис. 4.7.4-б-е не показана.

Для формирования мощных коротких импульсов используется выключение тиристоров с помощью последовательного LC-контура. Основное преимущество способа заключается в простоте коммутирующих цепей (рис. 4.7.5), не содержащих вспомогательных тиристоров и зарядных цепей. Для выключения тиристора с помощью LC-контура ударного возбуждения при R < Е/ I_ВЫКЛ прежде всего необходимо, чтобы конденсатор разряжался (рис. 4.7.5- а и б) или заряжался (рис. 4.7.6-в) по колебательному закону и при этом выполнялось условие

                                       

где I₁ - значение первого отрицательного экстремума переменной составляющей тока, протекающего через индуктивность контура; R1 - сопротивление, учитывающее омическое сопротивление катушки и нагрузки.

В схеме рис. 4.7.5 -а после отпирания тиристора S и изменения направления тока, протекающего через индуктивность контура, открывается диод D. К тиристору в течение времени ∆t (пока открыт диод D и ток контура С - R1 - L - D превышает ток, равный E/(R+R1)) прикладывается обратное напряжение. Значения L и С можно рассчитать по формулам

                              

Коммутирующая цепь рис. 4.7.5-а позволяет построить схемы формирователей импульсов длительностью t_И > t_ВЫКЛ. Для формирования мощных коротких импульсов длительностью t_И < t_ВЫКЛ можно использовать схемы рис. 4.7.5-б и в. В этой схеме коммутационный ток контура протекает через тиристор S в запирающем направлении, что форсирует процесс его запирания.

Анализ цепей запирания. Существует два вида цепей запирания ключей на запираемых тиристорах: с накопителем и без накопителей энергии.

Цепи с накопителем энергии представлены на рис. 4.7.6. В этих схемах включение (рис. 4.7.6 -а) или отключение (рис. 4.7.6 -б) ключа SA приводит к разряду энергии, накопленной в конденсаторе или индуктивности, в направлении, запирающем тиристор S. Схемы включения тиристора для простоты не показаны. Параметры элементов запирающей цепи выбираются из условия:

                            

                     

для схемы рис. 4.7.6 -б

                            ;

                                 

Цепи запирания, не содержащие накопителей энергии, благодаря простоте, малым размерам и массе, а также высокому быстродействию могут наиболее успешно использоваться при построении тиристорных ключей на запираемых тиристорах.

Люди также интересуются этой лекцией: 7 Субъекты авторского права.

Принцип запирания S без накопителей энергии показан на рис. 4.7.7-а. Запирание тиристора S, включенного ранее положительным импульсом через диод D при разомкнутом ключе SA, осуществляется замыканием ключа SA. При этом через управляющую цепь протекает обратный ток I_У.ОБР, величина которого, согласно упрощенной эквивалентной схеме (рис.

4.7.7-б), равна

                                   

Если соблюдается условие I_У.ОБР ≥ I_ПР/B_ЗАП то тиристор закрывается. Минимальная величина R_Н, при которой можно использовать этот метод, имеет место при R_Б = 0 и может быть найдена из соотношения

                                 (4.7.3)

В качестве ключа SA можно использовать маломощные транзистор или тиристор (рис. 4.7.8).

В отсутствии запирающего сигнала U_ЗАП транзистор T и тиристор S2 заперты, а тиристор S1 может быть включен сигналом U_ОТП . При поступлении сигнала U_ЗАП ключ в запирающей цепи открывается, пропуская через себя ток запирания S1. В схеме 4.7.8 -в, где используется разделенная нагрузка, величина сопротивления R_Н2 может быть выбрана из условия (4.7.3) при R_Н = R_Н2.