Тиристоры представляют собой класс полупроводниковых переключателей, которые образуют основу современной силовой электроники. Они способны обрабатывать высокие напряжения и токи с замечательной эффективностью, что делает их незаменимыми в приложениях, начиная от промышленных приводов двигателей до потребительских световых диммеров. В то время как основной принцип - четырехслойная структура p-n-p-n, которая защелкивается в проводимость при запуске - разделен на все тиристоры, семейство включает в себя несколько различных типов, каждый из которых оптимизирован для конкретных эксплуатационных требований. Инженеры, которые понимают различия между SCR, TRIAC, DIAC, диодами Шокли, тиристорами выключения затвора (GTO) и интегрированными тиристорами с коммутацией затвора (IGCTs) могут выбрать наиболее подходящее устройство для своей цепи, балансируя такие факторы, как рейтинг напряжения, скорость переключения, сложность затворного привода и стоимость.

Фундаментальная структура и функционирование тиристоров

Все тиристоры построены из четырёх чередующихся слоев полупроводникового материала p-типа и n-типа, образуя структуру p-n-n. Это создаёт три p-n перехода (J1, J2 и J3). При отсутствии сигнала затвора устройство блокирует ток в обоих направлениях (если двунаправленный) или в одном направлении (если однонаправленный). Прикладывая небольшой ток затвора к внутреннему p-слою запускает механизм регенеративной обратной связи, который приводит тиристор в проводимость. После защелкивания затвор теряет управление, и устройство остаётся проводящим до тех пор, пока анодный ток не упадет ниже низкого уровня удержания (обычно несколько миллиампер до десятков миллиампер). Это поведение защелкивания — это то, что отличает тиристоры от транзисторов, для которого требуется непрерывный ток затвора, чтобы оставаться на.

Основные типы тиристоров

Кремниевые ректоры (SCRs)

Кремниевый выпрямитель является наиболее широко используемым тиристором и основой семейства. SCR являются однонаправленными устройствами: они блокируют обратное напряжение и проводят ток только в прямом направлении при срабатывании. Их типичные рейтинги напряжения варьируются от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт, при этом мощность тока распространяется на тысячи ампер. SCR являются рабочими лошадками мощных приложений, таких как приводы постоянного тока, большие зарядные устройства, выпрямители переменного тока и контролируемые источники питания. Их простые требования к приводу затвора и прочная конструкция делают их экономически эффективными для промышленных сред. Одним из важных вариантов является SCR с фазовым управлением, оптимизированный для низкочастотных коммутируемых цепей, в то время как SCR инверторного класса имеют более быстрое время выключения для принудительного коммутирования приложений.

Для более глубокого чтения рейтингов SCR и примечаний к приложениям обратитесь к статье Википедия о кремниевых выпрямителях .

TRIACs (Triode for Alternating Current) - Трейод переменного тока

TRIAC по существу представляют собой два SCR, соединенных в антипараллельном режиме на одном чипе, что позволяет им проводить ток в обоих направлениях. Эта двунаправленная возможность переключения делает TRIAC естественным выбором для управления питанием переменного тока. Они запускаются сигналом затвора любой полярности, и их можно использовать в простых схемах фазового управления, таких как светодиммеры, регуляторы скорости вентилятора и элементы управления небольшим нагревателем. Однако TRIAC имеют ограничения: они, как правило, доступны только для более низких значений тока (обычно до 40 A) и менее надежны в условиях высокого dV/dt по сравнению с SCR. Они также более чувствительны к шуму и могут потребовать схем снуббера для предотвращения непреднамеренного запуска. Несмотря на эти недостатки, TRIAC остаются популярными в бытовых приборах и элементах управления освещением из-за их низкой стоимости и упрощенной конструкции схемы.

DIAC (диод для переменного тока)

DIAC — двунаправленные триггерные диоды, не имеющие затворного терминала. Вместо этого они переключаются из состояния высокой устойчивости в состояние низкой устойчивости, когда напряжение на них превышает определенное напряжение перекрытия (обычно 30 В). После проведения они остаются на уровне, пока ток не упадет ниже порога. DIAC почти исключительно используются в сочетании с TRIAC для обеспечения последовательного и симметричного спускового импульса затвора в цепях управления фазой переменного тока. Помещая DIAC в ряд с затвором TRIAC, конструктор гарантирует, что TRIAC выстреливается в одну и ту же точку в обеих половинах цикла переменного тока, устраняя асимметрию формы волны. Общие DIAC включают DB3 и его варианты.

Шокли Диодс

Названный в честь Уильяма Шокли, диод Шокли является двухконцевым p-n-p-n устройством, которое функционирует как простая защелка. У него нет затвора; запуск происходит, когда приложенное напряжение превышает его напряжение разрыва (обычно 20–200 В). После запуска он проводит сильно, пока ток не прервется. Диоды Шокли исторически использовались в коммутационных цепях, генераторах импульсов и триггерных стадиях тиристора. Сегодня они в значительной степени вытеснены более универсальными устройствами, но они остаются полезными в нишевых приложениях, таких как высоковольтные защитные ломтики и осцилляторы релаксации. Их простота - только два штифта - может быть преимуществом в очень базовых цепях защелкивания.

Gate Turn-Off Thyristors (альбом)

Основным ограничением обычных тиристоров является невозможность их выключения через ворота. Тиристор отключения ворот преодолевает это ограничение: GTO можно отключить, применяя импульс тока отрицательного затвора достаточной величины. Эта функция делает GTO ценными в инверторных схемах, где требуется коммутация постоянного тока, например, в приводах со средним напряжением, инверторах тяги и источниках питания. GTO могут обрабатывать высокие напряжения (до 6 кВ) и токи (несколько килоампер), но они требуют сложных цепей привода затвора и имеют значительные потери отключения по сравнению с современными альтернативами. Приложения уровня Gigawatt часто используют GTO с пресс-пакетом для их прочности и двустороннего охлаждения.

Интегрированные воротно-коммутированные тиристоры (IGCT)

IGCT представляет собой эволюцию GTO, которая интегрирует электронику драйвера затвора в пакет тиристора. Размещая привод затвора очень близко к кремниевой пластине, IGCT достигает чрезвычайно низкой индуктивности затвора, обеспечивая более быстрое и эффективное отключение. IGCT широко используются в мощных приложениях, таких как инверторы источника напряжения (VSI) для промышленных приводов, ветровых турбин и высоковольтных систем постоянного тока (HVDC). Они предлагают более низкие потери проводимости, чем IGBT при высокой плотности тока и часто предпочтительны в установках с несколькими мегаваттами. IGCT поставляются как в пресс-пакете, так и в модулях, с рейтингами, простирающимися за пределы 10 кВ и 5 кА.

Другие специализированные тиристоры

Несколько менее распространенных вариантов тиристора адресованы конкретным нишам применения. Светоактивированные тиристоры (LASCRs) запускаются оптическими импульсами, обеспечивая гальваническую изоляцию в высоковольтных системах. Обратно-проводящие тиристоры (RCTs) интегрируют антипараллельный диод с тиристорным кристаллом, уменьшая количество компонентов в инверторах. Полевоуправляемые тиристоры (FCThs) используют структуру затвора, которая может прерывать анодный ток при умеренном напряжении, а не токовом импульсе. Хотя эти устройства имеют более узкие рынки, они демонстрируют гибкость архитектуры тиристора.

Принципы работы в глубине

Понимание механизмов защелкивания и коммутации необходимо для надежной конструкции схемы. При подаче положительного напряжения на анод SCR (по отношению к катоду) переходы J1 и J3 смещены вперед, а J2 — назад; устройство находится в переднем блокировочном состоянии. Ток затвора, вводимый в слой р-основания, снижает блокировочную способность J2, вызывая лавинообразование. Полученные отверстия и электроны инициируют регенерацию: токи коллектора двух внутренних транзисторов (n-p-n и p-n-p, разделяющие одни и те же переходы) приводят друг друга в насыщение. Тиристор защелкивается, и затвор теряет контроль.

Для выключения тиристора анодный ток должен быть уменьшен ниже удерживающего тока в течение достаточного времени, чтобы позволить рекомбинацию миноритарных носителей. В цепях переменного тока естественная нулевая перекрёстка тока выполняет эту коммутацию (естественную коммутацию). В цепях постоянного тока требуется принудительная коммутация — с использованием внешних схем, таких как резонансный конденсатор и вспомогательный тиристор. ГТО и ИГКТ достигают принудительного выключения через сам затвор, поэтому они предпочтительны для инверторных и вертолетных цепей, поставляемых из автобусов постоянного тока.

Применение Thyristors в различных отраслях промышленности

Преобразование и уточнение мощности

Выпрямители на основе SCR преобразуют переменный ток в регулируемый постоянный ток для электрохимических процессов (электроплаценирование, анодирование), приводы двигателей постоянного тока и источники бесперебойного питания (UPS). Регуляторы с фазовым управлением обеспечивают надежное регулирование напряжения с минимальными компонентами. В трехфазных конфигурациях шести- и двенадцати-импульсные мосты обеспечивают плавный постоянный ток с умеренным гармоническим содержанием.

AC Motor Speed Control (Управление скоростью двигателя)

TRIAC и SCR используются в приводах с фазовым управлением переменного тока для однофазных и небольших трехфазных двигателей. TRIAC предпочитают недорогие потребительские вентиляторы и насосы, в то время как SCR появляются в более мощных промышленных мягких стартерах, которые повышают напряжение двигателя для ограничения тока впуска. Расширенные приводы переменного тока используют тиристоры для циклоконвертерных топологий в очень больших, низкоскоростных приложениях, таких как приводы цементных мельниц.

Светодиммирование и контроль нагрева

Отечественные светоотводчики полагаются на схемы TRIAC с DIAC-спуском для изменения угла проводимости формы волны переменного тока. Тот же принцип используется в электрических одеялах, паяльниках и горячих пластинах для пропорционального регулирования температуры. Простота и энергоэффективность фазового управления делают его вездесущим в резистивных и слегка индуктивных нагрузках.

Перенапряжение и защита от перенапряжений

Тиристорные защитные цепи зажимают переходные напряжения путем короткого замыкания рельса питания при обнаружении перенапряжения. Небольшой сигнал тиристора (часто SCR чувствительных врат) запускается зенерным диодом, когда напряжение превышает порог, отводя энергию разлома. Этот метод распространен в выходных сигналах питания и линиях связи.

Возобновляемая энергия и HVDC

В крупных ветровых турбинах и солнечных инверторах ГТО и ИГКТ используются на стадии инвертора сетки для синтеза высококачественного переменного тока из линии постоянного тока. Преобразователи HVDC обычно используют тиристорные клапаны (серии стеков пресс-пакетных SCR), рассчитанные на сотни киловольт и килоамперов. Линейно-коммутированный преобразователь (LCC) HVDC остается основой межконтинентальной передачи энергии, причем тиристоры являются единственной технологией, достаточно надежной для этой обязанности.

Промышленная сварка и индукционное отопление

Сварочные машины с сопротивлением используют контакторы SCR для переключения высоких первичных токов в сварочном трансформаторе. В индукционных источниках нагрева используются тиристоры на средних частотах (до 10 кГц) для таких процессов, как затвердевание, подтяжка и ковка. Способность обрабатывать высокие пиковые токи без преждевременного выхода из строя является ключевым преимуществом.

Для более подробных примеров применения, обратитесь к Электронные учебники статья на тиристоры .

Выбираем правильный тиристор

Выбор правильного тиристора включает в себя оценку нескольких параметров: рейтинг напряжения (VDRM, VRRM), ток состояния (IT(AV), пиковый ток скачка в один цикл (ITSM), ток запуска затвора (IGT) и время выключения (tq). Для приложений переменного тока критические возможности dV/dt и di/dt должны быть подобраны к среде переключения цепи. SCR, подходящие для линейных частот (50/60 Гц) могут плохо работать на более высоких частотах из-за более длительного срока службы несущей. Устройства инверторного класса разработаны с использованием допинга золота или электронного облучения для уменьшения t[

Термическое управление одинаково важно: переходное тепловое сопротивление (R]θJC) определяет требуемую теплоотводную трубу. Пакеты пресс-пакета обеспечивают низкое тепловое сопротивление и двустороннее охлаждение для мощных шпильных устройств. Пакеты модулей интегрируют несколько тиристоров для конфигураций моста. Водопривод должен обеспечивать резкий импульс высокого тока (обычно 10-20 раз I]GT для быстрого включения, чтобы минимизировать потери переключения. Всегда консультируйтесь с таблицей данных производителя для безопасной рабочей зоны (SOA) и передних / обратных характеристик восстановления.

Преимущества и ограничения

Тиристоры предлагают различные преимущества: очень высокие значения тока и напряжения в компактном пакете, очень низкое падение напряжения в состоянии (отсюда низкие потери проводимости) и высокая способность тока всплеска. Они также чрезвычайно надежны в условиях короткого замыкания - многие конструкции намеренно полагаются на тиристор, чтобы пережить токи разлома до ударов предохранителя. Основным ограничением является невозможность отключения через затвор в обычных типах, требующих естественной или принудительной коммутации. ГТО и ИГКТ решают это, но добавляют сложность и стоимость. Тиристоры также имеют более медленные скорости переключения по сравнению с IGBT и MOSFET, ограничивая их использование в высокочастотных преобразователях. Кроме того, сети снуббера часто необходимы для управления dV / dt и подавления звона.

Будущий прогноз

Несмотря на рост IGBT и SiC MOSFET, тиристоры остаются незаменимыми в самых высоких уровнях мощности. Новые технологии, такие как SiC тиристоры, обещают еще более низкие потери и более высокие рабочие температуры, расширяя охват тиристорных преобразователей в экстремальных условиях. Пресс-пакеты IGCT продолжают разрабатываться для следующего поколения HVDC и крупномасштабных инверторов накопления энергии. Для недорогого управления переменным током с низким и средним энергопотреблением TRIAC и SCRs останутся выбором по умолчанию на десятилетия вперед.

Для всестороннего обзора современных тиристорных семей и их рейтингов см. Обзор всех о схемах тиристоров .

Заключение

От базовой SCR до сложной IGCT, семейство тиристоров предлагает спектр коммутационных устройств, адаптированных к задачам силовой электроники в каждом диапазоне напряжения и тока. Понимая различные характеристики каждого типа - их методы запуска, механизмы выключения и сильные стороны, характерные для приложений - инженеры могут проектировать надежные, эффективные и экономичные схемы питания. Независимо от того, строите ли вы простой светоотвод или многомегаваттный клапан HVDC, правильный выбор тиристора является основополагающим для успеха.