ไทริสเตอร์: หลักการทำงาน การออกแบบ ประเภทและวิธีการรวม

หลักการทำงานของไทริสเตอร์

ไทริสเตอร์เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลังซึ่งควบคุมไม่ได้ทั้งหมด ดังนั้นบางครั้งในเอกสารทางเทคนิคจึงเรียกว่าไทริสเตอร์แบบทำงานเดียวซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นสถานะการนำไฟฟ้าได้โดยใช้สัญญาณควบคุมเท่านั้น เช่น สามารถเปิดได้ หากต้องการปิด (ในการทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสตรง) ต้องใช้มาตรการพิเศษเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟตรงลดลงเหลือศูนย์

สวิตช์ไทริสเตอร์สามารถนำกระแสได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น และในสถานะปิด จะสามารถทนต่อแรงดันทั้งไปข้างหน้าและย้อนกลับได้

ไทริสเตอร์มีโครงสร้าง p-n-p-n สี่ชั้นที่มีสามตัวนำ: แอโนด (A), แคโทด (C) และเกท (G) ซึ่งแสดงในรูปที่ 1

ข้าว. 1. ไทริสเตอร์ทั่วไป: ก) — การกำหนดกราฟิกทั่วไป; b) — คุณลักษณะของโวลต์แอมแปร์

ในรูป 1b แสดงตระกูลของเอาท์พุทคงที่ I — V ลักษณะที่ค่าต่าง ๆ ของการควบคุมปัจจุบัน iG แรงดันไปข้างหน้าที่จำกัดซึ่งไทริสเตอร์สามารถทนได้โดยไม่ต้องเปิดเครื่องมีค่าสูงสุดที่ iG = 0เมื่อกระแสเพิ่มขึ้น iG จะลดแรงดันไฟฟ้าที่ไทริสเตอร์สามารถทนได้ สถานะเปิดของไทริสเตอร์สอดคล้องกับสาขา II สถานะปิดสอดคล้องกับสาขา I และกระบวนการสวิตชิ่งสอดคล้องกับสาขา III กระแสโฮลดิ้งหรือกระแสโฮลดิ้งมีค่าเท่ากับ iA กระแสไปข้างหน้าขั้นต่ำที่อนุญาตซึ่งไทริสเตอร์ยังคงดำเนินการอยู่ ค่านี้ยังสอดคล้องกับค่าต่ำสุดที่เป็นไปได้ของแรงดันไปข้างหน้าที่ตกคร่อมไทริสเตอร์

สาขาที่ IV แสดงถึงการพึ่งพาของกระแสไฟรั่วกับแรงดันย้อนกลับ เมื่อแรงดันย้อนกลับเกินค่าของ UBO กระแสย้อนกลับที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจะเริ่มขึ้นซึ่งเกี่ยวข้องกับความล้มเหลวของไทริสเตอร์ ลักษณะของการพังทลายอาจสอดคล้องกับกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้หรือกระบวนการการพังทลายของหิมะถล่มที่มีอยู่ในการทำงานของซีเนอร์ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์

ไทริสเตอร์เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทรงพลังที่สุด สามารถสลับวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 5 kV และกระแสสูงถึง 5 kA ที่ความถี่ไม่เกิน 1 kHz

การออกแบบไทริสเตอร์แสดงในรูป 2.

ข้าว. 2. การออกแบบกล่องไทริสเตอร์: a) — แท็บเล็ต; b) — พิน

ดีซีไทริสเตอร์

ไทริสเตอร์ทั่วไปเปิดใช้งานโดยการใช้พัลส์ปัจจุบันกับวงจรควบคุมที่มีขั้วบวกเทียบกับแคโทด ระยะเวลาของชั่วคราวระหว่างการเปิดเครื่องได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญโดยธรรมชาติของโหลด (แอคทีฟ, อุปนัย, ฯลฯ ), แอมพลิจูดและอัตราการเพิ่มขึ้นของพัลส์ควบคุม iG ปัจจุบัน, อุณหภูมิของโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ของไทริสเตอร์ แรงดันที่ใช้และกระแสโหลดในวงจรที่มีไทริสเตอร์ไม่ควรมีค่าที่ยอมรับไม่ได้ของอัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไปข้างหน้า duAC / dt ซึ่งการเปิดใช้งานไทริสเตอร์โดยธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้หากไม่มีสัญญาณควบคุม iG และอัตรา เพิ่มขึ้นจาก diA / dt ปัจจุบัน ในเวลาเดียวกันความชันของสัญญาณควบคุมจะต้องสูง

ในบรรดาวิธีการปิดไทริสเตอร์ เป็นเรื่องปกติที่จะต้องแยกความแตกต่างระหว่างการปิดตามธรรมชาติ (หรือการสลับตามธรรมชาติ) และการบังคับ (หรือการสลับแบบประดิษฐ์) การเปลี่ยนตามธรรมชาติเกิดขึ้นเมื่อไทริสเตอร์ทำงานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับในขณะที่กระแสลดลงถึงศูนย์

วิธีการบังคับสวิตช์มีความหลากหลายมาก โดยทั่วไป ได้แก่ การเชื่อมต่อตัวเก็บประจุที่ชาร์จล่วงหน้า C กับสวิตช์ S (รูปที่ 3, a); เชื่อมต่อวงจร LC กับตัวเก็บประจุ CK ที่ชาร์จไว้ล่วงหน้า (รูปที่ 3 ข); การใช้ลักษณะการแกว่งของกระบวนการชั่วคราวในวงจรโหลด (รูปที่ 3, c)

ข้าว. 3. วิธีการเปลี่ยนไทริสเตอร์เทียม: a) — โดยใช้ตัวเก็บประจุที่มีประจุ C; b) — โดยวิธีการคายประจุแบบสั่นของวงจร LC; c) — เนื่องจากลักษณะการโหลดที่ผันผวน

เมื่อเปลี่ยนตามแผนภาพในรูป 3 และการต่อตัวเก็บประจุแบบสวิตชิ่งของขั้วกลับ เช่น กับไทริสเตอร์เสริมอีกตัว จะทำให้คายประจุไปยังไทริสเตอร์ตัวนำหลัก เนื่องจากกระแสดิสชาร์จของตัวเก็บประจุพุ่งตรงไปยังกระแสไปข้างหน้าของไทริสเตอร์ กระแสหลังจึงลดลงเหลือศูนย์และไทริสเตอร์จะปิด

ในแผนภาพของมะเดื่อ 3, b, การเชื่อมต่อของวงจร LC ทำให้เกิดการสั่นของตัวเก็บประจุแบบสวิตชิ่ง CKในกรณีนี้ ในตอนเริ่มต้น กระแสดิสชาร์จจะไหลผ่านไทริสเตอร์ตรงข้ามกับกระแสไปข้างหน้า เมื่อเท่ากัน ไทริสเตอร์จะปิด นอกจากนี้กระแสของวงจร LC ผ่านจากไทริสเตอร์ VS ไปยังไดโอด VD เมื่อกระแสลูปไหลผ่านไดโอด VD แรงดันย้อนกลับเท่ากับแรงดันตกคร่อมไดโอดเปิดจะถูกนำไปใช้กับไทริสเตอร์ VS

ในแผนภาพของมะเดื่อ 3 การเชื่อมต่อไทริสเตอร์ VS กับโหลด RLC ที่ซับซ้อนจะทำให้เกิดชั่วคราว ด้วยพารามิเตอร์บางอย่างของโหลด กระบวนการนี้สามารถมีอักขระออสซิลเลเตอร์ที่มีการเปลี่ยนแปลงขั้วของกระแสโหลด ในกรณีนี้หลังจากปิดไทริสเตอร์ VS ไดโอด VD จะเปิดขึ้นซึ่งจะเริ่มนำกระแสของ ขั้วตรงข้าม บางครั้งวิธีการเปลี่ยนนี้เรียกว่ากึ่งธรรมชาติเนื่องจากเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงขั้วของกระแสโหลด

เอซีไทริสเตอร์

เมื่อเชื่อมต่อไทริสเตอร์กับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ การดำเนินการต่อไปนี้สามารถทำได้:

• การเปิดและปิดวงจรไฟฟ้าด้วยโหลดแบบแอคทีฟและแอคทีฟรีแอคทีฟ

• การเปลี่ยนแปลงค่าเฉลี่ยและค่าปัจจุบันที่มีประสิทธิภาพผ่านโหลดเนื่องจากสามารถปรับเวลาของสัญญาณควบคุมได้

เนื่องจากสวิตช์ไทริสเตอร์สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น ดังนั้นสำหรับการใช้ไทริสเตอร์กระแสสลับจึงใช้การเชื่อมต่อแบบขนาน (รูปที่ 4, a)

ข้าว. 4. การเชื่อมต่อแบบขนานของไทริสเตอร์ (a) และรูปร่างของกระแสที่มีโหลดที่ใช้งานอยู่ (b)

เฉลี่ยและ ปัจจุบันที่มีประสิทธิภาพ แตกต่างกันไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเวลาที่สัญญาณการเปิดใช้กับไทริสเตอร์ VS1 และ VS2 เช่น โดยการเปลี่ยนมุมและ (รูปที่ 4, b)ค่าของมุมนี้สำหรับไทริสเตอร์ VS1 และ VS2 ระหว่างการควบคุมจะถูกเปลี่ยนโดยระบบควบคุมพร้อมกัน มุมนี้เรียกว่ามุมควบคุมหรือมุมยิงของไทริสเตอร์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือเฟส (รูปที่ 4, a, b) และการควบคุมไทริสเตอร์ด้วยความกว้างของพัลส์ (รูปที่ 4, c)

ข้าว. 5. ประเภทของแรงดันโหลดที่: a) — การควบคุมเฟสของไทริสเตอร์; b) — การควบคุมเฟสของไทริสเตอร์ด้วยการบังคับสับเปลี่ยน; c) — การควบคุมไทริสเตอร์ความกว้างพัลส์

ด้วยวิธีการเฟสของการควบคุมไทริสเตอร์ด้วยการแลกเปลี่ยนแบบบังคับ การควบคุมกระแสโหลดเป็นไปได้ทั้งโดยการเปลี่ยนมุม ? และมุม ?... การสลับเทียมนั้นดำเนินการโดยใช้โหนดพิเศษหรือใช้ไทริสเตอร์ที่ควบคุม (ล็อค) อย่างเต็มที่

ด้วยการควบคุมความกว้างพัลส์ (การมอดูเลตความกว้างพัลส์ — PWM) ระหว่าง Totkr สัญญาณควบคุมจะถูกนำไปใช้กับไทริสเตอร์ ไทริสเตอร์จะเปิดขึ้นและแรงดันไฟฟ้า Un จะถูกนำไปใช้กับโหลด ในช่วงเวลา Tacr สัญญาณควบคุมจะหายไปและไทริสเตอร์อยู่ในสถานะไม่นำไฟฟ้า ค่า RMS ของกระแสในโหลด

ที่อิน.ม. — กระแสโหลดที่ Tcl = 0

เส้นโค้งปัจจุบันในโหลดที่มีการควบคุมเฟสของไทริสเตอร์นั้นไม่ใช่ไซน์ซึ่งทำให้เกิดการบิดเบือนรูปร่างของแรงดันไฟฟ้าของเครือข่ายอุปทานและการรบกวนในการทำงานของผู้บริโภคที่ไวต่อการรบกวนความถี่สูง - สิ่งที่เรียกว่าเกิดขึ้น ความไม่ลงรอยกันทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ไทริสเตอร์ล็อค

ไทริสเตอร์เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทรงพลังที่สุดที่ใช้ในการเปลี่ยนวงจรไฟฟ้าแรงสูง กระแสสูง (กระแสสูง)อย่างไรก็ตามพวกเขามีข้อเสียเปรียบที่สำคัญ - การควบคุมที่ไม่สมบูรณ์ซึ่งแสดงให้เห็นในข้อเท็จจริงที่ว่าเพื่อที่จะปิดมันจำเป็นต้องสร้างเงื่อนไขเพื่อลดกระแสไปข้างหน้าให้เป็นศูนย์ ในหลายกรณีสิ่งนี้จำกัดและทำให้การใช้ไทริสเตอร์ซับซ้อนขึ้น

เพื่อกำจัดข้อเสียนี้ ไทริสเตอร์ได้รับการพัฒนาซึ่งถูกล็อคโดยสัญญาณจากอิเล็กโทรดควบคุม G ไทริสเตอร์ดังกล่าวเรียกว่าไทริสเตอร์แบบเกทออฟ (GTO) หรือการทำงานแบบคู่

ไทริสเตอร์แบบล็อค (ZT) มีโครงสร้าง p-p-p-p สี่ชั้น แต่ในขณะเดียวกันก็มีคุณสมบัติการออกแบบที่สำคัญหลายประการที่ทำให้แตกต่างจากไทริสเตอร์แบบดั้งเดิมอย่างสิ้นเชิง ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สามารถควบคุมได้อย่างเต็มที่ คุณลักษณะ IV แบบคงที่ของไทริสเตอร์แบบเปิดปิดในทิศทางไปข้างหน้าจะเหมือนกับคุณลักษณะ IV แบบคงที่ของไทริสเตอร์ทั่วไป อย่างไรก็ตาม ไทริสเตอร์ล็อคอินมักจะไม่สามารถปิดกั้นแรงดันย้อนกลับขนาดใหญ่ได้ และมักจะเชื่อมต่อกับไดโอดต้านการต่อขนาน นอกจากนี้ ไทริสเตอร์แบบล็อคอินยังมีลักษณะของแรงดันไปข้างหน้าที่ลดลงอย่างมาก ในการปิดไทริสเตอร์ล็อคจำเป็นต้องใช้พัลส์อันทรงพลังของกระแสลบ (ประมาณ 1: 5 เมื่อเทียบกับค่าคงที่ของกระแสปิด) กับวงจรของอิเล็กโทรดปิด แต่มีระยะเวลาสั้น ๆ (10- 100 μs )

ไทริสเตอร์แบบล็อกอินยังมีแรงดันและกระแสไฟตัดต่ำกว่า (ประมาณ 20-30%) กว่าไทริสเตอร์ทั่วไป

ประเภทหลักของไทริสเตอร์

ยกเว้นไทริสเตอร์แบบล็อคอิน ไทริสเตอร์หลากหลายประเภทได้รับการพัฒนาแตกต่างกันไปตามความเร็ว กระบวนการควบคุม ทิศทางของกระแสในสถานะตัวนำ ฯลฯในหมู่พวกเขา ควรสังเกตประเภทต่อไปนี้:

• ไทริสเตอร์ไดโอดซึ่งเทียบเท่ากับไทริสเตอร์ที่มีไดโอดเชื่อมต่อแบบขนาน (รูปที่ 6.12, a);

• ไดโอดไทริสเตอร์ (ไดนิสเตอร์) เปลี่ยนเป็นสถานะนำไฟฟ้าเมื่อเกินระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด ใช้ระหว่าง A และ C (รูปที่ 6, b);

• ไทริสเตอร์ล็อค (รูปที่ 6.12, c);

• ไทริสเตอร์หรือไตรแอกแบบสมมาตรซึ่งเทียบเท่ากับไทริสเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบขนานสองตัว (รูปที่ 6.12, d);

• ไทริสเตอร์อินเวอร์เตอร์ความเร็วสูง (เวลาปิด 5-50 μs);

• ตัวอย่างเช่น ฟิลด์ไทริสเตอร์ ขึ้นอยู่กับการรวมกันของทรานซิสเตอร์ MOS กับไทริสเตอร์

• ไทริสเตอร์ออปติคอลควบคุมโดยฟลักซ์แสง

ข้าว. 6. การกำหนดกราฟิกทั่วไปของไทริสเตอร์: ก) — ไทริสเตอร์ไดโอด; b) — ไดโอดไทริสเตอร์ (ไดนิสเตอร์); c) — ไทริสเตอร์ล็อค; ง) — ไตรแอก

การป้องกันไทริสเตอร์

ไทริสเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญสำหรับอัตราการเพิ่มขึ้นของกระแสไปข้างหน้า diA / dt และแรงดันตก duAC / dt ไทริสเตอร์เช่นไดโอดมีลักษณะเฉพาะด้วยปรากฏการณ์ของกระแสไฟย้อนกลับซึ่งการลดลงอย่างรวดเร็วถึงศูนย์ทำให้ความเป็นไปได้ของแรงดันไฟฟ้าเกินสูงขึ้นด้วยค่า duAC / dt สูง แรงดันไฟฟ้าเกินดังกล่าวเป็นผลมาจากการหยุดชะงักของกระแสในองค์ประกอบอุปนัยของวงจรรวมถึง ตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็ก การติดตั้ง. ดังนั้นโดยทั่วไปจะใช้โครงร่าง CFTCP ต่างๆ เพื่อป้องกันไทริสเตอร์ซึ่งในโหมดไดนามิกจะช่วยป้องกันค่า diA / dt และ duAC / dt ที่ยอมรับไม่ได้

ในกรณีส่วนใหญ่ ความต้านทานอุปนัยภายในของแหล่งจ่ายแรงดันที่รวมอยู่ในวงจรของไทริสเตอร์ที่รวมอยู่นั้นเพียงพอแล้ว จึงไม่มีการนำ LS ของตัวเหนี่ยวนำเพิ่มเติมมาใช้ดังนั้นในทางปฏิบัติ จึงมักต้องการ CFT ที่ลดระดับและความเร็วของการกระชากแบบสะดุด (รูปที่ 7)

ข้าว. 7. วงจรป้องกันไทริสเตอร์ทั่วไป

วงจร RC ที่ต่อขนานกับไทริสเตอร์มักใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ มีการดัดแปลงวงจรต่าง ๆ ของวงจร RC และวิธีการคำนวณพารามิเตอร์สำหรับเงื่อนไขการใช้งานไทริสเตอร์ที่แตกต่างกัน

สำหรับไทริสเตอร์ล็อคอิน วงจรจะใช้เพื่อสร้างเส้นทางสวิตชิ่ง ซึ่งคล้ายกับวงจรของทรานซิสเตอร์ CFTT