Table of Contents

Современные тиристоры являются полупроводниковыми устройствами, которые стали незаменимыми в силовой электронике, обеспечивая эффективный и точный контроль высоковольтных и высокоточных приложений. От промышленных приводов двигателей до инверторов возобновляемых источников энергии и передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) тиристоры обеспечивают прочность и надежность, необходимые в требовательных средах. Среди их многих особенностей, одной из наиболее важных является возможность обратной блокировки . Это свойство позволяет тиристору предотвращать поток тока при изменении напряжения, значительно повышая его универсальность, безопасность и общую надежность системы. В этой статье исследуется значение возможности обратной блокировки в современных тиристорах, углубляясь в его физические принципы, практическую важность и широкие приложения.

Основы Тиристорской операции

Чтобы полностью оценить способность обратной блокировки, важно сначала понять фундаментальную работу тиристора. Тиристор представляет собой четырехслойное трехпереходное полупроводниковое устройство (структура p-n-p-n), которое действует как бистабильный переключатель. Его можно повернуть из состояния выключения с высоким давлением в состояние с низким сопротивлением ON, применяя небольшой ток затвора, когда анод положителен относительно катода (], предвзятый к переднему пути . После запуска устройство защелкивается в проводимость и остается включенным даже после удаления сигнала затвора, пока анодный ток остается выше удерживающего тока. Чтобы выключить ток, ток должен быть уменьшен ниже этого порога, или напряжение должно быть обращено.

В своей самой базовой форме обычный тиристор предназначен для блокирования напряжения в обоих направлениях, когда находится в состоянии OFF. То есть он может выдерживать положительное напряжение от анода до катода (передняя блокировка), а также отрицательное напряжение от анода до катода (обратная блокировка). Эта способность двойной блокировки является отличительной чертой классического тиристора, известного как обратная блокировка тиристора . Однако не все варианты тиристора обладают этой особенностью — устройства, такие как триаки и обратно проводящие тиристоры, разработаны по-разному для конкретных применений.

Что такое обратная блокировка способности?

Обратная блокирующая способность относится к способности тиристора предотвращать значительный ток, когда напряжение, приложенное через его основные терминалы, имеет противоположную полярность предполагаемого направления проводимости.В частности, для стандартного тиристора, где прямое направление анод-положительное катоду, обратная блокировка означает, что когда катод становится положительным по отношению к аноду (т.е. прилагается обратное напряжение), устройство остается в состоянии высокой устойчивости и не проводит, за исключением очень малого тока утечки.

Такое поведение аналогично характеристике обратного пробоя диода, но с гораздо более высоким рейтингом напряжения и дополнительным преимуществом контролируемого включения через затвор. Рейтинг обратного блокирующего напряжения, обычно обозначаемый как VRRM (повторяющееся пиковое обратное напряжение), является ключевой спецификацией в таблицах данных тиристора. Он определяет максимально допустимое отрицательное напряжение, которое устройство может выдержать, не страдая от поломки или повреждения.

Физический механизм обратной блокировки

Возможность обратной блокировки возникает из той же физики р-n-перехода, которая дает диодам их выпрямляющие свойства. В структуре тиристора p-n-p-n, как правило, внешние соединения (J1 и J3) являются р-n-переходами. При приложении обратного напряжения эти соединения становятся обратно-сдвинутыми, создавая область истощения, которая блокирует поток носителей большинства. Центральный переход J2 становится прямо-сдвинутым при обратном напряжении, но в общем импедансе преобладают обратные внешние соединения. При правильной конструкции - включая тщательные допинг-профили, краевое прекращение и пассивацию - тиристор может выдерживать обратные напряжения, сопоставимые с его передним блокирующим напряжением.

Важно отметить, что способность обратной блокировки присуща не всем типам тиристоров. Например, триаки (двунаправленные тиристоры) предназначены для проведения тока в обоих направлениях, но они имеют симметричную способность блокировки только до определенного напряжения. Напротив, обратнопроводящие тиристоры (RCT) интегрируют антипараллельный диод в одну и ту же упаковку, намеренно жертвуя обратной блокировкой для обеспечения свободно движущихся путей тока и снижения потерь проводимости в приложениях, таких как инверторы.

Значение в силовой электронике

Возможность обратной блокировки — это гораздо больше, чем удобная функция — это фундаментальное требование для бесчисленных электрических электронных схем. Без нее многие распространенные топологии было бы невозможно реализовать безопасно и эффективно.

Защита цепи и отказоустойчивость

В реальных энергетических системах возмущения напряжения — такие как переходные процессы от ударов молнии, переключения скачков или изменения нагрузки — могут вызвать всплески обратного напряжения на полупроводниковых устройствах. Тиристор, лишенный обратной блокировки, будет проводить во время таких переходных процессов, что потенциально приведет к неконтролируемым токам, коротким замыканиям или разрушению устройства. При надежной обратной блокировке тиристор действует как постоянный барьер против обратного тока, защищая себя и компоненты нисходящего потока. Эта встроенная устойчивость упрощает защитную схему и повышает общую надежность системы.

Использование в контролируемых ректорах

Одно из наиболее распространенных применений обратных блокирующих тиристоров - это фазово-управляемые выпрямители - схемы, которые преобразуют переменный ток в постоянный ток с регулируемым выходным напряжением. В конфигурации выпрямителя моста (например, шестиимпульсный тиристорный мост) каждый тиристор должен выдерживать обратное напряжение во время части цикла переменного тока, когда он не проводит. Возможность обратной блокировки гарантирует, что несостоятельные тиристоры не проводят, когда полярность напряжения изменяется, тем самым поддерживая предполагаемый путь тока и предотвращая перекрестную проводимость, которая может вызвать короткое замыкание через подачу.

Повышение эффективности системы и форм-фактора

Устраняя необходимость в внешних последовательностях диодов или сложных сетей защиты, обратная блокировка тиристоров упрощает конструкцию схемы. Меньшее количество компонентов означает более низкую стоимость, уменьшенную площадь платы и более высокую плотность мощности. В мощных системах эти факторы непосредственно переводят на более эффективное и компактное оборудование - критическое преимущество для таких приложений, как железнодорожная тяга, промышленный электролиз и инверторы с сеткой.

Сравнение с другими полупроводниковыми устройствами

Чтобы понять уникальное значение обратной блокировки тиристоров, полезно сравнить их с соответствующими устройствами.

Сравнение с диодами

Диоды также обеспечивают однонаправленную проводимость и обратную блокировку, но им не хватает управления затвором. Диод автоматически включается, когда перекос вперед превышает его порог (≈0,7 В для кремния) и выключается при обратном уклоне. Тиристор, с другой стороны, требует импульса затвора для инициирования проводимости. Этот контроль позволяет точно определять время, фазовый угол управления и функциональность мягкого запуска, которую диоды не могут достичь.

Сравнение со стандартными (необратно-блокирующими) тиристорами

Это распространенное заблуждение, что все тиристоры блокируют обратное напряжение. Фактически, некоторые варианты тиристоров специально спроектированы для , а не блокируют обратное напряжение.

  • Обратно-проводящие тиристоры (RCT): Интегрируют антипараллельный диод внутрь. Они жертвуют обратной блокировкой, чтобы обеспечить свободный путь для индуктивных нагрузок, снижая требования к снубберу и повышая эффективность в инверторных схемах.
  • Асимметричные тиристоры (ASCR): имеют более высокое прямое блокирующее напряжение, чем обратное блокирующее напряжение. Они оптимизированы для приложений, где обратное напряжение минимально, например, в цепях вертолёта.
  • Переход: Двунаправленные устройства, которые могут проводить в обоих направлениях. Они блокируют напряжение в обеих полярностях, но имеют более низкие рейтинги напряжения и более медленные скорости переключения по сравнению со стандартными тиристорами.

Таким образом, классический блокирующий тиристор остается предпочтительным выбором, когда требуется полная изоляция напряжения в обоих направлениях.

Сравнение с поворотными воротами Thyristors (GTO) и IGCT

ГТО и интегрированные коммутированные тиристоры (IGCT) предлагают возможность поворота-OFF с управляемым затвором, что делает их привлекательными для инверторов источника напряжения. Однако эти устройства обычно имеют более низкие рейтинги обратного блокирования напряжения. Многие ГТО и IGCT разработаны с интегрированным антипараллельным диодом (обратнопроводящим), жертвуя обратной блокировкой для улучшения производительности поворота-OFF. Для приложений, требующих как поворота-OFF затвора, так и высокой обратной блокировки, существуют специализированные симметричные ГТО, но они менее распространены и дороже.

Применение обратно блокирующих тиристоров

Обратно блокирующие тиристоры развернуты в широком спектре мощных систем. Ниже приведены некоторые ключевые области применения, а также конкретная роль, которую играет обратная блокировка.

Ректоры с фазовым управлением (AC-DC преобразователи)

Как упоминалось ранее, трехфазные тиристорные мосты, используемые в зарядных устройствах, приводах постоянного тока и передаче HVDC, в значительной степени зависят от обратной блокировки. Каждый тиристор в мосту проводит только при соответствующем срабатывании и остается выключенным при обратном напряжении от линии переменного тока. Это гарантирует, что выходное напряжение постоянного тока хорошо регулируется и что токи разлома сведены к минимуму. Для современных приложений, таких как инфраструктура зарядки электромобилей , выпрямители тиристора высокой мощности продолжают использоваться наряду с новыми полупроводниковыми технологиями, такими как IGBT.

Контроллеры напряжения переменного тока и Soft-Starters

В контроллерах напряжения ac — таких как диммеры освещения, нагревательные элементы и мягкие стартеры индукционного двигателя — тиристоры часто располагаются в антипараллельной паре (или триаке) для регулирования мощности. Однако для однофазных применений, требующих изоляции, можно использовать один обратный блокирующий тиристор с диодным мостом для создания симметричного переключателя ac. Свойство обратной блокировки предотвращает проведение тиристора во время отрицательного полуцикла без дополнительных компонентов.

Высоковольтная передача постоянного тока (HVDC) и статические компенсаторы VAR

Преобразовательные станции HVDC исторически использовали ртутные арочные клапаны, но современные установки используют мощные тиристорные клапаны. Каждый клапан состоит из серии стопок обратно блокирующих тиристоров, которые должны выдерживать как прямое, так и обратное напряжение во время коммутации. Способность обратной блокировки имеет решающее значение для предотвращения переключения клапанов и поддержания разделения напряжения по строке серии. Аналогично, статические VAR-компенсаторы (SVC), которые используют тиристор-управляемые реакторы и тиристор-переключаемые конденсаторы, зависят от обратной блокировки тиристоров для надежного переключения при напряжениях уровня передачи.

Пульс питания и защита ломов

В импульсных приложениях питания — таких как радиолокационные модуляторы, ускорители частиц и магнитоформление — конденсаторы быстро разряжаются в нагрузку. Обратный блокирующий тиристор может служить надежным переключателем ломов: при возникновении неисправности он запускается для короткого замыкания источника питания и защиты чувствительных компонентов. Его способность блокировать обратное напряжение гарантирует, что лом не проводит непреднамеренные обратные токи от индуктивных нагрузок.

Моторные приводы и DC Chopper Circuits

Для управления скоростью двигателя постоянного тока с помощью вертолетов (ступенчатых или повышающих преобразователей) обратные блокирующие тиристоры обеспечивают надежное переключение. При регенеративном торможении двигатель действует как генератор, а полярность напряжения может изменяться. Обратная блокировка тиристора в цепи вертолета предотвращает деструктивный обратный ток, обеспечивая безопасное восстановление энергии.

Преимущества и ограничения обратной блокировки тиристоров

Хотя обратная блокировка тиристоров дает явные преимущества, они также имеют компромиссы, которые инженеры должны учитывать.

Преимущества

  • Надежная защита: Наружная выдержка обратного напряжения устраняет необходимость во многих схемах использования внешних последовательно расположенных диодов.
  • Высокое напряжение и ток: Доступны в чрезвычайно высоких уровнях мощности (до 12 кВ и 10 кА на устройство), подходящих для коммунальных применений.
  • Экономическая эффективность: Хорошо налаженный производственный процесс делает их экономичными для мощного низкочастотного переключения.
  • Простой привод ворот: Требует только короткий импульс для защелки, в отличие от IGBT или MOSFET, которые нуждаются в непрерывной мощности ворот.

Ограничения

  • Низкая скорость переключения: Обычно ограничивается несколькими сотнями Гц из-за длительного времени выключения (хвостовой ток и рекомбинация).
  • Никакого выключения ворот: После защелкивания через ворота нельзя отключить — требуется внешняя коммутация для уменьшения тока ниже уровня удерживания.
  • Более высокое падение напряжения проводимости: По сравнению с диодами или IGBT, тиристоры имеют большее падение напряжения вперед (1,5-3 В), увеличивая потери на состоянии.
  • Ощущение срабатывания dV/dt: Быстрое изменение напряжения может ложно вызвать устройство, требуя от схем снуббера ограничения dV/dt.

Эти ограничения диктуют, что обратные блокирующие тиристоры лучше всего подходят для приложений, требующих высокой мощности, умеренной частоты (например, частоты линий) и терпимости к немного более высоким потерям. Для приложений с более высокой частотой или мягким переключением IGBT, MOSFET или IGCT могут быть более подходящими.

Будущие тенденции и инновации

Силовая электроника продолжает развиваться, но релевантным остается обратный блокирующий тиристор. Несколько тенденций формируют его будущее.

Кремниевый карбид (SiC) Thyristors

Исследования тиристоров на основе SiC обещают значительно улучшенную производительность: более высокие рейтинги напряжения (до 20 кВ), более высокую температурную работу (выше 300 ° C) и более низкие потери проводимости из-за более широкого диапазона. тиристоры SiC также по своей сути демонстрируют отличную способность обратной блокировки. По мере созревания производства SiC , эти устройства могут заменить кремниевые тиристоры в требовательных приложениях, таких как HVDC и импульсная мощность, предлагая более быстрое переключение и большую эффективность.

Обратная блокировка IGBT (RB-IGBT)

Для приложений среднего напряжения разработана обратная блокировка IGBT (RB-IGBT). Эти устройства интегрируют возможность обратной блокировки в единый чип IGBT, устраняя необходимость в серийном диоде. RB-IGBT используются в инверторах с текущим источником для приводов двигателей и сетевых преобразователей, предлагая более высокие частоты переключения, чем тиристоры. Однако они более сложны и дорогостоящи. Обратная блокировка тиристора остается конкурентоспособной в сверхмощных низкочастотных ролях.

Интеграция с цифровым управлением

Современные схемы привода затвора теперь включают расширенные функции защиты, такие как зажимы перенапряжения и мониторинг dV / dt, которые дополняют присущую способность обратной блокировки. Кроме того, цифровая связь (например, оптоволоконное управление) в высоковольтных стеках стала стандартной, позволяя точно определять углы стрельбы и обнаружение неисправностей. Эти улучшения расширяют срок службы и надежность тиристора.

Заключение

Возможность обратной блокировки является краеугольной особенностью современных тиристоров, которая лежит в основе их широкого использования в силовой электронике. Предотвращая проводимость при обратном напряжении, эти устройства обеспечивают необходимую защиту, обеспечивают эффективную работу выпрямителей и инверторов и упрощают конструкцию схемы. В то время как новые полупроводниковые технологии предлагают более высокие частоты переключения, обратная блокировка тиристора остается непревзойденной для экстремальных уровней мощности и суровых условий. По мере того, как широкополосные материалы, такие как SiC, становятся все более распространенными, обратная блокировка тиристора будет продолжать развиваться, обеспечивая свое место в инструментальном наборе энергетика на десятилетия вперед.

Для дальнейшего чтения рейтингов и приложений тиристора, обратитесь к странице продукта тиристора Infineon или примечаниям к полупроводниковым приложениям ABB .