Introduzione

I tiritori, in particolare i retifier controllati dal silicio (SCR), rimangono blocchi fondamentali per la costruzione di sistemi di conversione AC-to-DC ad alta potenza. Questi dispositivi semiconduttori a quattro strati possono bloccare alte tensioni in entrambe le direzioni e, quando attivati, condurre con una riduzione della tensione dello stato notevolmente bassa.

Questo articolo fornisce un'accurata analisi dei vantaggi e degli svantaggi di tirosisti nella conversione AC/DC, estendendosi oltre semplici punti di proiettile per coprire la fisica sottostante, dettagli pratici di implementazione e trade-off con tecnologie semiconduttori concorrenti.

Vantaggi dei Thyristors in Conversione AC/DC

Capacità di gestione ad alta potenza

I tiritori sono ineguagliabili per applicazioni che richiedono valutazioni di tensione oltre 1 kV e valutazioni correnti superiori a 1 kA. I singoli SCR sono disponibili con tensioni di bloccaggio fino a 8 kV e capacità di corrente media superiore a 5 kA. La connessione della serie dei tiristori estende ulteriormente la gestione della tensione per sistemi ultra-alta tensione come le stazioni di conversione HVDC, dove gli stack di decine di dispositivi condividono la tensione totale della linea.

Controllo efficiente del flusso di potenza

I convertitori di tiristor controllati in fase consentono una regolazione precisa della tensione DC di uscita regolando l'angolo di cottura (α) dell'impulso del cancello. Il distacco del punto di attivazione rispetto al passaggio a zero AC riduce l'intervallo di conduzione per ciclo, riducendo così la tensione media di uscita. Questo metodo offre un controllo continuo e regolare sulla consegna di corrente con un minimo di corrente supplementare elettronica.

Costo-efficacia per sistemi ad alta potenza

Quando l'applicazione richiede di gestire diversi kilowatt a centinaia di megawatt, i tiristori forniscono un costo inferiore per ampere rispetto a IGBT, MOSFETs, o GTO. Il semplice processo di fabbricazione a quattro strati produce robusti stampi con rendimento elevato, traducendo in prezzi competitivi per dispositivo. Inoltre, i circuiti di azionamento del cancello di tiro sono poco costosi e possono essere costruiti da componenti passivi e da un trasformatore a impulsi.

Rugosità e durata

I tiri sono intrinsecamente più tolleranti delle condizioni di sovratensione e di sovratensione rispetto a molti altri semiconduttori di potenza. Possono resistere a correnti di sovratensione fino a 10 kA per pochi millisecondi senza danni, una proprietà critica per la gestione di correnti inrush da magnetizzazione del trasformatore o di guasti di carico. La loro capacità di sopravvivere ad alta tensione dv/dt e di / ddt e di / ddt appropriatonu] eventi di /

Requisiti di unità di Cancello semplice

A differenza di IGBTs o MOSFETs che richiedono una tensione continua di cancello per mantenere la conduzione, i tiristori si bloccano all'interno dello stato dopo un breve impulso di cancello. Una volta attivato, il cancello perde il controllo, eliminando la necessità di una potenza continua. Questo semplifica notevolmente il circuito del conducente di cancello a un generatore di impulsi a bassa potenza e un trasformatore di impulso per l'isolamento.

Tecnologia della Matura e ampia disponibilità

La tecnologia Thyristor è stata affinata in cinque decenni, con processi produttivi ben documentati, imballaggi standardizzati e note applicative complete. I fornitori multipli offrono dispositivi su una vasta gamma di rating di tensione e corrente, garantendo un approvvigionamento competitivo e una disponibilità di seconda risorsa. Gli ingegneri possono contare su linee guida di progettazione consolidate per lo snubbing, la gestione termica e la commutazione, riducendo il rischio di sviluppo per progetti ad alta potenza.

Goccia di tensione bassa on-state

In caso di densità ad alta corrente, la tensione in avanti di un tiristor rimane bassa (tipicamente 1,2 V a 2,5 V a corrente nominale) rispetto ad un IGBT ad alta tensione, che può scendere da 2,5 V a 3,5 V a valutazioni simili. Per i convertitori che operano a migliaia di amplificatori, anche una differenza di 1 V si traduce in kilowatt di risparmio di perdita di conduzione, migliorando l'efficienza del sistema e riducendo i requisiti di raffreddamento.

Limitazioni dei Thyristors nella conversione AC/DC

Mancanza di Gate Capacità di Turno

La limitazione più significativa dei tiristori convenzionali è la loro incapacità di essere spenta dal cancello. Una volta bloccata, il dispositivo continua a condurre fino a quando la corrente di anodo scende sotto la corrente di tenuta (tipicamente pochi millimetri a centinaia di milliamps) o è costretto a zero esternamente.

Controllo complesso per carichi reattivi

Quando il convertitore AC/DC fornisce un carico altamente induttivo (ad esempio, un grande motore DC o un caricabatterie con un rigonfiamento), la corrente si blocca la tensione. Il tiristor continua a condurre ben oltre il punto in cui la tensione va negativa fino a quando la corrente si esaurisce naturalmente.

Spike di tensione e transienti di commutazione

Il disaccoppiamento del tendine di Thyristor avviene bruscamente quando la corrente crolla a zero, inducendo grandi punte di tensione (di/dt e dv/dt) attraverso il dispositivo e gli elementi induttivi del circuito. Senza i circuiti di snubber appropriati (tipicamente una rete RC serie posta su ogni tiristor), questi transienti possono superare il grado di bloccaggio della tensione del dispositivo, portando alla rottura permanente o all'eccezione eccessiva corrente di corrente di dispersione.

Requisiti di gestione termica

Nonostante il basso livello di tensione, i tiristori dissipano ancora un calore significativo alle alte correnti. Un rettificatore da 5 kA con una caduta in avanti da 2 V produce 10 kW di calore all'interno del bivio semiconduttore. La rimozione di questo calore richiede grandi dissipatori, raffreddamento ad aria forzata, o sistemi di raffreddamento a liquido che aggiungono massa e costi. La temperatura di giunzione deve essere mantenuta sotto i 125 °C per evitare il funzionamento termico e garantire l'affaticabilità ciclistica a lungo termine.

Velocità di commutazione limitata

I tiristori sono dispositivi di commutazione intrinsecamente lenta. Il tempo di svolta (ton) varia da 1 a 10 μs, e il tempo di spegnimento (tq) da 10 a 100 μs a seconda della classificazione del dispositivo e delle condizioni del circuito. La corrente di coda causata dai vettori di minoranza immagazzinati prolunga il processo di spegnimento.

Generazione di armoniche

I filtri retrò controllati in fase di elaborazione, che si basano su una corrente non-sinusoidale proveniente dalle principali centrali AC. La forma d'onda rettangolare contiene un contenuto armonico di basso ordine significativo, in primo luogo 5 °, 7 °, 11 ° e 13 °, che può causare distorsioni di tensione, surriscaldamento di trasformatori e generatori, e l'interferenza con altre apparecchiature.

Confronto con altri dispositivi semiconduttori

Gli ingegneri devono considerare i tiristori accanto a dispositivi alternativi per la conversione AC/DC.

Tiristori contro IGBT

IGBT offrono un'uscita controllata da cancello e un'uscita di svolta, consentendo al funzionamento PWM a frequenze fino a decine di kilohertz. Essi forniscono una qualità di tensione di uscita superiore e una risposta più rapida. Tuttavia, IGBTs hanno una maggiore caduta di tensione in avanti a correnti elevate (2,5–3,5 V), rendendoli meno efficienti nei sistemi multi-megawatt.

Tiristori contro MOSFETs

I MOSFET di potenza sono i re di velocità, che passano in nanosecondi e funzionano sopra i 100 kHz. La loro on-resistance aumenta nettamente con la tensione di valutazione, rendendoli inefficienti sopra i 200 V. Per i convertitori AC/DC nei MO-tensione a bassa tensione (12–48 V) e la gamma bassa potenza, i MOSFET sono dominanti. I Thyristors non possono competere in questo dominio a causa del loro maggiore ribaltamento e del cambio di tensione più lento.

Tiristori contro GTO e IGCT

I tiri di svolta a cancello (GTO) e i tiristori integrati (IGCT) combinano l'elevata capacità di corrente dei tiristori con la capacità di spegnimento controllata da cancello. Sono utilizzati in unità di media tensione e trazione ferroviaria dove sono richieste elevate densità di potenza e rigenerazione. Tuttavia, questi dispositivi richiedono grandi correnti di azionamento a cancello (fino a poche centinaia di amplificatori) durante il passaggio a turni, aumentando la complessità e il consumo di potenza del conducente e

Applicazioni dei Thyristors in Convertitori AC/DC

Trasmissione diretta ad alta tensione (HVDC)

Le stazioni di conversione HVDC utilizzano valvole di tiristor per convertire AC in DC alla fine di invio e ritorno in AC alla fine di ricezione. Queste valvole gestiscono tensioni fino a ± 800 kV e correnti superiori a 5 kA. La bassa perdita di stato, la robustezza e la capacità di essere serie-stacked senza complessi circuiti di sbalzo rendono i tiritori l'unico interruttore pratico per questa applicazione.

Grandi motoriduttori

Le unità DC a base di tiristor per laminatoi, forni di cemento e paranchi per miniere forniscono un controllo della velocità regolare la tensione dell'armatura tramite un rettificatore a ponte a tre fasi completamente controllato. La semplicità del controllo di fase, unita alla capacità di sopportare elevate correnti di avviamento e sovraccarichi, rende i retifier di tiristor ideali per applicazioni pesanti.

Ricarica elettrochimica e batteria

Gli impianti di elettrolisi richiedono correnti DC di decine di migliaia di ampere a tensioni relativamente basse (alcune centinaia di volt). I rettatori Thyristor forniscono questa potenza in modo efficiente e affidabile. Analogamente, i caricabatterie di grande formato per carrelli elevatori, autobus elettrici e i ponti di accumulazione di energia stazionari utilizzano ponti di tiro a regolazione della corrente di carica.

Forniture di alimentazione per attrezzature industriali

Molti alimentatori industriali utilizzano un preregolatore di tiro per controllare la tensione dell'autobus DC, seguito da un inverter ad alta frequenza per la regolazione finale dell'uscita. Il pre-regolatore fornisce una regolazione della tensione grossolana ad alta efficienza, mentre l'inverter gestisce la regolazione fine e l'isolamento.

Considerazioni di progettazione per i convertitori AC/DC basati su Thyristor

Circuiti di commutazione

Nelle applicazioni di compressione forzata (ad esempio, inverter o convertitori di frequenza variabile), i progettisti devono fornire circuiti esterni per spegnere il tiristor. Le tecniche comuni includono la commutazione corrente utilizzando un condensatore carica e un tiristor di commutazione. La capacità di commutazione deve essere dimensionata per immagazzinare abbastanza energia per invertire il tiristor principale per un tempo più lungo del tempo di rotazione di commutazione.

Progettazione di rete di Snubber

Il circuito di snubber attraverso ogni tiristor controlla il dv/dt al turn-off e limita la tensione di picco sopra la risoluzione. Un tipico snubber RC utilizza un condensatore nella gamma di 0,1-1 μF e un resistore di 10–50 Ω, scelto in base al massimo dv/dt del dispositivo e all’induttanza parassitaria del circuito.

Progettazione termica e riscaldamento

La dissipazione totale della corrente include la perdita di conduzione (I]RMS] × V]T[]) e la perdita di commutazione (turn-on plus turn-off). Per i convertitori di calore commutati in linea, le perdite di commutazione sono trascurabili, quindi il dissipatore è dimensionato in base alle perdite di calore di condensazione di derivazione

Metodi di triggering cancello

Per il controllo di fase, un tipico circuito di attivazione del cancello genera un treno di impulsi sincronizzato con la linea AC. La larghezza del polso deve essere abbastanza lunga per garantire le latches del tiristor, tipicamente 100-500 μs. Modulazione ad alta frequenza del polso del cancello (ad esempio, 10 kHz) riduce le dimensioni del trasformatore.

Conclusioni

I Thyristors rimangono una scelta convincente per la conversione AC/DC in applicazioni di alta potenza, bassa a media frequenza dove costi, efficienza e robustezza sono fondamentali. La loro capacità di gestire tensioni e correnti estreme con un semplice azionamento di cancello e bassa caduta on-state giustifica il loro uso continuo in campi come la trasmissione HVDC, grandi motori e processi elettrochimici.