Comprender los procesos de captura y conmutación en los tirisores

Base física del proceso regenerativo

La estructura interna de un tiristor consiste en cuatro capas alternas de tipo p y semiconductor de tipo n, formando una pila de p-n-p-n. Esto puede ser modelado como un transistor de pnp y un transistor npn conectado en un bucle de retroalimentación positiva. Cuando se aplica un pulso de puerta positivo, la corriente fluye en la base del transistor npn, causando que se realiza.

Para un cierre fiable, el pulso de la puerta debe ser de suficiente amplitud y duración para elevar la corriente de ánodo por encima de la corriente de cierre antes de que se retire la señal de la puerta. Un pulso de puerta demasiado estrecho o demasiado débil puede no iniciar el proceso regenerativo, lo que conduce a un giro intermitente o incompleto. En la práctica, los diseñadores especifican circuitos de la unidad de puerta que ofrecen un pulso fuerte, bien en forma de corriente con un tiempo de ascenso rápido para garantizar todo el funcionamiento positivo.

Variaciones de temperatura y dispositivo

Los valores de lavado y de retención no son valores fijos; varían con temperatura de unión, edad de dispositivo y tolerancias de fabricación. A medida que la temperatura aumenta, la corriente de retención disminuye típicamente porque la movilidad de carga y el aumento de la vida útil, facilitando que el bucle regenerativo permanezca activo. Por el contrario, a bajas temperaturas, el rango de retención de la corriente aumenta, y un tisristor puede requerir una corriente de ánodo superior para mantenerse en latulas.

Los tirisores también exhiben un fenómeno llamado dv/dt disparando], donde un rápido aumento de la tensión de avance puede encender el dispositivo sin señal de puerta. Esto ocurre porque la corriente de desplazamiento a través de la condensación de la unión puede ser suficiente para iniciar el proceso regenerativo. Los circuitos de snubber colocados en paralelo con el rendimiento de turistor limitan la tasa de subida de tensión falsa y el diseño.

La lucha de puertas y su relación con la captura

Requisitos de la unidad de puerta

El pulso de la puerta de la puerta debe satisfacer tres criterios para asegurar la inflexión confiable: suficiente corriente de pico, ancho de pulso adecuado y tiempo de elevación adecuado. La corriente de la puerta de pico debe exceder el dispositivo de unión#8217; la corriente de la puerta mínima de la velocidad total. El ancho del pulso debe ser lo suficientemente largo para la corriente de anidación para acumular más tiempo.

Los tirisores de alta potencia a menudo requieren circuitos de fijación que ofrecen un pico de alta corriente para el rápido giro, seguido de una corriente sostenida inferior para mantener la conducción durante el intervalo crítico. Esta unidad de puerta de dos niveles reduce las pérdidas de turno al minimizar la disipación de potencia en el circuito de la puerta. El pico inicial obliga al tiristor a la conducción rápidamente, mientras que el componente de mantenimiento asegura que el dispositivo permanece bajo incluso si la corriente de carga inicialmente.

Modos de falla relacionados con la captura

Si no se cumple la condición de cierre, el tiristor puede volver al estado de bloqueo inmediatamente después de que el pulso de la puerta termine. Esta condición se conoce como no-latching y puede causar comportamiento errático del circuito, incluyendo la conducción parcial y la calefacción excesiva. En casos extremos, el dispositivo puede no encenderse completamente, colocando el voltaje completo en la unión de bloqueo y potencialmente causando.

Otro modo de fallo ocurre cuando la corriente de carga supera el dispositivo de unión#8217; s potencia la calificación de corriente durante el transito de cierre. En tales casos, los puntos calientes localizados pueden desarrollarse dentro de la olla de silicio, lo que conduce a la fuga térmica y daño permanente. El diseño adecuado del circuito requiere una selección cuidadosa del tiristor borde#8217; su capacidad de corriente de aumento y la corriente adecuada límite durante el intervalo de turno.

Commutación: El proceso de Turn-Off

Por qué los Tiristors piden técnicas especiales de giro

Tal vez la característica más distintiva de un tiristor en comparación con un transistor es que no puede ser apagado simplemente eliminando la señal de la puerta. Una vez desprendida, la puerta pierde el control sobre el estado de conducción. Para apagar un tiristor, la corriente de ánodo debe ser reducida debajo de la corriente de retención y una tensión inversa aplicada por un tiempo suficiente para permitir que las regiones de agotamiento de la unión recuperar su capacidad de bloqueo.

La conmutación es el proceso de forzar la corriente a cero y asegurar que el tiristor recupera su capacidad de bloqueo hacia delante antes de la reaparición de voltaje hacia adelante. Si el voltaje hacia adelante reapareciera antes de que el dispositivo se haya recuperado completamente, el tisristor se encenderá espontáneamente de nuevo, una condición conocida como falla de conmutación. Esto puede causar cortocircuitos, excesos y la interrupción del sistema en aplicaciones tales como invertidores de línea.

Commutación natural (Commutación de la luz)

Principios de la Commutación Natural

La conmutación natural, también llamada conmutación de línea, ocurre cuando el voltaje de fuente de AC obliga naturalmente a la corriente tiristoriana a cero. En un sistema sinusoidal, la corriente pasa a través de cero al final de cada medio ciclo. Cuando la corriente alcanza cero, el titrristor comienza a apagarse. Si se aplica una tensión inversa a través del dispositivo inmediatamente después del actual cero, el proceso de recuperación se acelera, y el medioristor recupera su estado de avance siguiente ciclo.

Este método es simple, sin necesidad de circuitos de conmutación adicionales, y por lo tanto es altamente confiable. Es la técnica de conmutación estándar para rectificadores controlados por fases, controladores de tensión AC e inverters de cuadrícula donde el voltaje AC está siempre presente. La principal limitación es que la conmutación natural sólo puede ocurrir en circuitos suministrados por una fuente AC; es imposible en los circuitos DC donde la corriente es unidireccional y no va automáticamente a cero.

Voltaje y superposición de la mezcla

En los circuitos prácticos de AC, la inductancia de la fuente y la carga evita una transferencia instantánea de corriente entre los tirisores. Durante el intervalo de conmutación, tanto los tirisadores salientes como los entrantes conducen simultáneamente, creando un período de solapamiento corto. Esta superposición produce un voltaje en la forma de onda de suministro y reduce el voltaje promedio del convertidor.El ángulo correspondiente a esta superposición se llama el [com.

La magnitud del ángulo de sobrelaps depende de la inductancia de origen y de la corriente de carga DC. Un mayor inductancia o mayor carga aumenta la superposición. Los diseñadores deben tener en cuenta este efecto al calcular el voltaje de salida y el contenido armónico.Para un rectificador de tres fases totalmente controlado, el ángulo de superposición puede ser aproximado mediante la fórmula cos(α+μ) = cos(α) − (2ωLI[LT2

Limitaciones de la Commutación Natural

La conmutación natural depende de la presencia de un voltaje conmutador adecuado. En sistemas con distorsión de baja tensión o rejillas AC débiles, el voltaje conmutador puede ser insuficiente para apagar de forma fiable los tirisores, especialmente en condiciones de carga pesadas. La falta de conmutación puede resultar, lo que lleva a fallas de disparo y requiere medidas de protección como fusibles de acción rápida o interruptores de gran tamaño.

Commutación forzada

Técnicas de conmutación forzada clasificatoria

La conmutación forzada abarca una familia de técnicas de circuito que reducen artificialmente la corriente tiristor y aplican un voltaje inverso para lograr el desvío en los circuitos DC. Estos métodos se clasifican en seis categorías (clase A a través de la clase F) sobre la base de cómo se almacena y aplica la energía de conmutación. La elección de una clase determinada depende de factores como el tipo de carga, frecuencia de conmutación y limitaciones de coste.

Clase A: Auto-Commutación por Carga Resonante

En la clase A, la carga misma forma parte de un circuito resonante que suena naturalmente la corriente a cero. Un circuito de serie L-C se conecta en paralelo con la carga. Cuando el tiristor está realizando, el circuito resonante almacena energía en su condensador e inductor. En el instante apropiado, la corriente a través del tiristor revierte brevemente, permitiendo que el dispositivo se apaga. Este método es simple pero compatible con los sistemas de reflexión.

Clase B: Commutación de pulso resonante

Clase B utiliza un circuito auxiliar de resonancia L-C conectado a través del tiristor. Un condensador cargado se cambia a través del dispositivo, causando un pulso de corriente inversa que obliga a la corriente de ánodo a cero. El circuito resonante está diseñado para proporcionar un voltaje inverso a través del tiristor durante más tiempo que el dispositivo circunvertir tiempo.El condensador debe ser recargado después de cada evento de conmutación, que limita el interruptor.

Clase C: Commutación complementaria

En la conmutación Clase C, dos tirisores están conectados en una configuración de distribución de carga. Cuando uno se activa, se conmuta por el otro desviando su corriente y aplicando una tensión inversa. La energía de conmutación se almacena en un condensador compartido. Este enfoque permite el flujo bidireccional de corriente y se implementa a menudo en invertidores de media plataforma y puente completo.

Clase D: Commutación de carga de tensión

La conmutación Clase D utiliza un tiristor auxiliar separado para descargar un condensador pre-cargado en el tiristor principal. El interruptor auxiliar se activa en el instante de desvío deseado, creando un camino de corriente inversa que obliga al dispositivo principal a apagarse. Este método proporciona una capacidad de desvío rápida y control independiente sobre el intervalo de conmutación. Se emplea en invertidores de alta frecuencia y conmutación de pulso modulado componente DC.

Clase E: Commutación de pulso externo

Clase E implica una fuente de pulso externa, como un transformador de pulso separado o suministro auxiliar, que inyecta una tensión inversa a través del tiristor. Este enfoque ofrece aislamiento galvánico y puede diseñarse para ofrecer un pulso de desvío controlado precisamente. La conmutación de clase E es menos común que otras clases, pero se utiliza en aplicaciones especializadas de alta tensión donde el circuito principal no puede tolerar componentes adicionales de serie.

Clase F: AC Line Commutation

Clase F es esencialmente la conmutación natural, dependiendo del voltaje de línea AC para apagar el tiristor. Se incluye como una clase separada en el sistema de clasificación estándar porque representa el método de referencia contra el cual se comparan las técnicas de conmutación forzada. Para los circuitos DC, las Clases A a través de E son las opciones pertinentes, mientras que la Clase F es aplicable sólo a los sistemas alimentados por AC.

Commutación de carga y sus variaciones

Cuando el Carga proporciona el Camino de la Commutación

En algunos circuitos, la carga misma es inductiva o capacitiva suficiente para soportar la conmutación sin componentes auxiliares separados. En inverters cargados por serie, por ejemplo, la inductancia de carga forma un tanque resonante con un condensador conmutador, permitiendo la remacha natural de la corriente tiristor. La conmutación de carga es eficiente porque la energía de conmutación es absorbida por la carga en lugar de disfracción de los resistores.

Los hornos de calefacción de inducción y de fusión utilizan comúnmente la conmutación de carga porque la bobina de trabajo presenta una reacción inductiva predecible a la frecuencia de operación. La frecuencia resonante del circuito de carga determina la velocidad de conmutación máxima alcanzable y por lo tanto la potencia de salida del inversor.

Comparación de los métodos de conmutación

Cada método de conmutación implica desvíos entre la complejidad del circuito, la velocidad de conmutación, el coste y la fiabilidad. La conmutación natural es la más simple y fiable pero se limita a los sistemas de AC. Métodos de conmutación forzados agregan componentes y control de la complejidad, pero permiten el funcionamiento de las fuentes de DC. Entre las técnicas forzadas, Class B ofrece un buen equilibrio de sencillez y rendimiento para frecuencias de conmutación moderadas, mientras que la clase D proporciona el más rápido convertidor con los sistemas de conmutación.

Los tirisores de desvío (GTO) y los tirisores integrados de computación (IGCT) incorporan características que simplifican la conmutación permitiendo que la puerta interrumpa directamente la conducción. Sin embargo, estos dispositivos todavía requieren circuitos de snubber externos para gestionar las pérdidas de desvío y las tensiones de di/dt. La tendencia en la electrónica de potencia moderna es hacia interruptores totalmente controlables como mega-volucionadores de carburopulido

Consideraciones prácticas de diseño

Circuitos de Soberano y supresión dv/dt

Los circuitos de snubber son esenciales para la confiabilidad de la captura y la conmutación. Un snubber típico RC colocado en paralelo con los tiristor limita la velocidad de subida de tensión posterior después de la conmutación, evitando el desencadenante falso debido a efectos dv/dt. El snubber también absorbe energía del bucle de conmutación, sobresueldos de tensión de amortiguación excesiva que podría superar el dispositivo dvdiendo Ø8217

La interacción entre el snubber y el circuito de conmutación es particularmente importante en los sistemas de conmutación forzada. Un snubber mal diseñado puede degradar el rendimiento de conmutación al frenar la recuperación de voltaje en el tiristor. Los diseñadores deben simular o probar el snubber en combinación con la red de conmutación para verificar que el tiristor recibe una tensión inversa adecuada para el tiempo de desvío requerido.

Gestión de calor y pérdida de conmutación

Tanto la descomposición como la conmutación contribuyen a cambiar las pérdidas. Al girar, la desipación de energía es el producto de la corriente de ánodo y la caída de tensión de avance durante el intervalo de ascenso. Al desvío, la corriente de cola y el voltaje reaplido causan pérdidas adicionales. Para aplicaciones de alta frecuencia, estas pérdidas pueden dominar el presupuesto total de calor.

Los módulos de Thyristor a menudo incorporan los fregaderos de calor integrados y sensores térmicos para monitorear la temperatura de unión. En escenarios agresivos de conmutación, como aplicaciones de pulso, la constante de tiempo térmico del molde de silicio puede ser significativamente más corta que la del disipador de calor, lo que conduce a lugares calientes transitorios que no son capturados por modelos térmicos de estado estable.

Diseño para la fiabilidad en entornos de daños

Los tirisores utilizados en aplicaciones industriales y de utilidad deben soportar los transientes de tensión, la distorsión armónica y los extremos de temperatura. El margen de conmutación debe ser suficiente para soportar las variaciones de peor de los casos en tensión de línea y corriente de carga. En condiciones de red débiles, por ejemplo, el voltaje conmutable puede reducirse hasta 20 unidades#37; durante fallos, aumentando el riesgo de fallo de conmutación.

La protección contra el exceso de corriente y el exceso de tensión es crítica. Las fusibles de acción rápida, los circuitos de palanca y los dispositivos de almetramiento de tensión pueden prevenir fallas catastróficas si se pierde la conmutación. Las rutas de conmutación redundantes, como los arreglos de titrificador de serie o paralelo, mejoran la disponibilidad del sistema.

Aplicaciones de los Principios de Latching y Commutation

Rectificadores controlados y reguladores de tensión AC

En los rectificadores controlados por fases, la conmutación natural es la norma porque la oferta de AC proporciona la acción de desvío. El ángulo de despido determina el voltaje de salida, y el ángulo de solapamiento debe ser considerado al calcular la regulación de tensión. Los tirisores en estos circuitos experimentan altas corrientes de oleaje durante las condiciones de arranque y de falla, exigiendo una selección cuidadosa de las calificaciones del dispositivo.

DC Motor Drives y circuitos de helicópteros

El control de velocidad del motor DC se basa en la conmutación forzada para apagar los tirisores en un helicóptero DC. La conmutación de clase B o Clase D se emplea comúnmente en estos circuitos. La frecuencia de conmutación influye en la corriente de onda en la armadura del motor, afectando la suavidad del par y el ruido audible. El circuito de conmutación debe diseñarse para manejar el motor de carga dinámica cambios actuales y la espalda EMF generada durante el freno.

Aplicaciones HVDC y de alto voltaje

Los sistemas de transmisión de alta tensión (HVDC) utilizan válvulas de tisristor que dependen de la conmutación natural proporcionada por la red AC receptora. Cada válvula consiste en múltiples tirisores conectados con serie con redes de distribución de voltaje y circuitos de disparo de puerta. La corriente de cierre de cada dispositivo debe ser igualada para asegurar que todos los tirisores en la cuerda se enciendan simultáneamente.

Conclusión: Dominar los Procesos Duales

Los procesos de cierre y conmutación son los pilares gemelos de la operación de turistor. La captura asegura una conducción estable sin la unidad de puerta continua, mientras que la conmutación proporciona un mecanismo para restaurar el estado de bloqueo cuando el dispositivo ya no es necesario. Ambos procesos están influenciados por la física interna de dispositivos, los parámetros de circuito externo y las condiciones de temperatura. Una comprensión completa de estos fenómenos permite a los ingenieros diseñar convertidores de potencia que son eficientes, robustos y adecuados a las pequeñas aplicaciones de HDC.

Para más lectura, consulte las referencias completas sobre electrónica de energía por Mohan, Undeland, y Robbins, que proporciona un tratamiento autorizado de técnicas de conmutación. Notas de aplicación detalladas de Infineon y ofrecen una guía práctica de tu comportamiento