Table of Contents

Введение

Тиристоры, особенно кремниевые выпрямители (SCR), остаются основными строительными блоками в мощных системах преобразования переменного тока в постоянный ток. Эти четырехслойные полупроводниковые устройства могут блокировать высокие напряжения в любом направлении и при запуске проводить с удивительно низким падением напряжения в состоянии. Преобразователи переменного тока / постоянного тока, которые полагаются на тиристоры, обеспечивают надежную производительность в промышленных средах, где надежность при экстремальных электрических напряжениях является обязательной. Инженеры, ответственные за проектирование выпрямителей, приводов двигателей, станций HVDC или зарядных устройств батареи, должны оценивать как сильные, так и слабые стороны топологий на основе тиристора для принятия обоснованных решений на уровне системы.

В данной статье подробно рассматриваются преимущества и недостатки тиристора в конверсии AC/DC, выходящие за рамки простых пулевых точек, охватывающих базовую физику, детали практической реализации и компромиссы с конкурирующими полупроводниковыми технологиями.Понимание этих факторов позволяет дизайнерам оптимизировать эффективность преобразователя, сложность управления, управление температурой и общую стоимость системы.

Преимущества тиристоров в конверсии AC/DC

Высокомощная способность к управлению

Тиристоры не имеют себе равных для приложений, требующих рейтингов напряжения выше 1 кВ и рейтингов тока, превышающих 1 кА. Отдельные SCR доступны с блокирующими напряжениями до 8 кВ и средней емкостью тока выше 5 кА. Серийное соединение тиристоров дополнительно расширяет обработку напряжения для ультравысоковольтных систем, таких как преобразователи HVDC, где стеки десятков устройств разделяют общее напряжение линии. Параллельная работа увеличивает пропускную способность тока пропорционально, делая тиристорные клапаны первичными переключающими элементами в выпрямителях шкалы полезности. Природная тиристорная структура поддерживает эти рейтинги, потому что слои P-N-P-N обеспечивают внутреннюю блокировку напряжения как в прямом, так и в обратном направлениях, что позволяет двунаправленную блокировку в SCR и асимметричную блокировку в других вариантах.

Эффективный контроль потока энергии

Фазово-управляемые тиристорные преобразователи позволяют точно регулировать выходное напряжение постоянного тока путем регулировки угла (α) стрельбового импульса затвора. Задержка точки запуска относительно пересечения нулевого переменного тока уменьшает интервал проводимости за цикл, тем самым снижая среднее выходное напряжение. Этот метод обеспечивает непрерывный и плавный контроль подачи мощности с минимальной дополнительной силовой электроникой. КПД тиристорных преобразователей часто превышает 98% в больших установках выпрямителя, поскольку падение напряжения вперед на проводящем тиристоре обычно составляет 1,5-2,5 В независимо от тока нагрузки, значительного преимущества перед линейными регуляторами или частично переключаемыми транзисторами при высоких токах.

Эффективность затрат для систем с высокой мощностью

Когда приложение требует обработки нескольких киловатт до сотен мегаватт, тиристоры обеспечивают более низкую стоимость за ампер по сравнению с IGBT, MOSFET или GTO. Простой четырехслойный процесс изготовления дает надежные матрицы с высокой выходной мощностью, переводя в конкурентную цену на устройство. Кроме того, схемы привода тиристорных ворот недороги и могут быть построены из пассивных компонентов и импульсного трансформатора. При многомегаваттном преобразовании AC/DC экономия затрат только в полупроводниковых устройствах может превышать 30 % по сравнению с эквивалентными решениями на основе IGBT, особенно при рассмотрении необходимости нескольких параллельных модулей IGBT для достижения аналогичных текущих оценок.

Прочность и долговечность

Тиристоры по своей природе более терпимы к условиям перетока и перенапряжения, чем многие другие силовые полупроводники. Они могут выдерживать токи перенапряжения до 10 кА в течение нескольких миллисекунд без повреждений, свойство, критическое для обработки токов впуска от намагничивания трансформатора или неисправностей нагрузки. Их способность выдерживать высокие события dv/dt и di/dt, когда их правильно обнюхивают, делает их пригодными для суровых промышленных условий, где шипы напряжения и скачки тока являются обычным явлением. Запечатанная конструкция (например, пресс-пакет или пакеты керамических дисков) обеспечивает отличную устойчивость к влаге, вибрации и тепловому циклу.

Простые требования Gate Drive

В отличие от IGBT или MOSFET, которые требуют постоянного напряжения затвора для поддержания проводимости, тиристоры защелкиваются в состояние после короткого импульса затвора. После запуска затвор теряет управление, устраняя необходимость в непрерывной мощности привода. Это значительно упрощает цепь затвора для генератора импульсов малой мощности и импульсного трансформатора для изоляции. Снижение количества компонентов повышает надежность и снижает общую сложность системы, особенно в конвертерах с сотнями или тысячами устройств, где избыточность драйверов становится необходимой.

Зрелые технологии и широкая доступность

Технология Thyristor была усовершенствована в течение пяти десятилетий, в результате чего были хорошо документированы производственные процессы, стандартизированная упаковка и комплексные примечания к применению.Множество поставщиков предлагают устройства в широком диапазоне рейтингов напряжения и тока, обеспечивая конкурентоспособный источник и доступность второго источника. Инженеры могут полагаться на установленные руководящие принципы проектирования для снубинга, управления температурой и коммутации, снижая риск развития для проектов с высокой мощностью.

Низкое падение напряжения на уровне штата

При высокой плотности тока переднее напряжение тиристора остается низким (обычно 1,2 В до 2,5 В при номинальном токе) по сравнению с высоковольтным IGBT, который может снизиться на 2,5 В до 3,5 В при аналогичных рейтингах. Для преобразователей, работающих на тысячах ампер, даже разница в 1 В приводит к экономии потерь проводимости, повышению эффективности системы и снижению требований к охлаждению. Это падение низкого напряжения является прямым результатом модуляции проводимости тиристора, где инъекция миноритарного несущего снижает сопротивление на состоянии при впрыске высокого тока.

Ограничения использования тиристоров в конверсии AC/DC

Отсутствие возможности поворота ворот

Наиболее значительным ограничением обычных тиристоров является их неспособность быть выключенным затвором. После защелкивания устройство остается проводящим до тех пор, пока анодный ток не упадет ниже удерживающего тока (обычно несколько миллиампер до сотен миллиампер) или не будет вынуждено свести к нулю внешне. В преобразователях переменного тока / DC выключение обычно зависит от коммутации линии переменного тока - естественное изменение напряжения линии переменного тока, которое приводит к нулю каждый полуцикл. Однако в системах, где преобразователь должен работать при ведущем коэффициенте мощности или когда источником является переменная частота переменного тока, становятся необходимыми принудительные коммутационные схемы (например, с использованием заряженного конденсатора и вспомогательного тиристора), добавление сложности, стоимости и потерь мощности. Это отсутствие самовыключения также ограничивает использование методов модуляции ширины импульса (PWM) для формирования выходного напряжения, ограничивая гармоническую производительность по сравнению с выпрямителями PWM с использованием транзисторов.

Комплексный контроль реактивных нагрузок

Когда преобразователь AC/DC подает высокоиндуктивную нагрузку (например, большой двигатель постоянного тока или зарядное устройство батареи с сглаживающим удушьем), ток отстает от напряжения. Тиристор продолжает проводить хорошо мимо точки, где напряжение становится отрицательным, пока ток не гаснет естественным образом. Этот расширенный угол проводимости уменьшает эффективный диапазон стрельбы и может вызвать сбой коммутации, если угол перекрытия становится слишком большим. Управление выходным напряжением в этих условиях требует точного обнаружения нулевого пересечения напряжения линии и точной регулировки угла стрельбы при компенсации задержки, вызванной нагрузкой. Инженеры должны внедрить цифровые фазовые петли и прогностические алгоритмы для поддержания стабильной работы, особенно во время переходных возмущений, таких как падения напряжения или изменения частоты.

Вольтовые шипы и переключение переходных процессов

Тиристорный выключатель происходит резко, когда ток сжимается до нуля, вызывая большие всплески напряжения (di/dt и dv/dt) по всему устройству и индуктивные элементы схемы. Без надлежащих цепей RC серии (обычно сеть RC, размещенная по каждому тиристору), эти переходные процессы могут превышать рейтинг блокирующего напряжения устройства, что приводит к постоянному пробою или чрезмерному току утечки. Проектирование эффективного нюхания требует балансировки значения конденсатора для ограничения dv/dt, значения резистора для влажных колебаний и рассеивания мощности в резисторе. Неправильная конструкция нюхания может привести к дополнительным потерям или создать резонансы, которые усугубляют проблему. Необходимость нюхания добавляет количество компонентов, пространство на плате и тепловое управление накладными расходами.

Требования к термоменеджменту

Несмотря на низкое напряжение, тиристоры все еще рассеивают значительное тепло при высоких токах. Выпрямитель 5 кА с перепадом 2 В производит 10 кВт тепла внутри полупроводникового перехода. Удаление этого тепла требует больших радиаторов, принудительного воздушного охлаждения или систем жидкого охлаждения, которые добавляют объем и стоимость. Температура перехода должна поддерживаться ниже обычно 125 °C для предотвращения теплового бегства и обеспечения долгосрочной надежности. Тепловая цикличность между состояниями включения и выключения, особенно при переменной нагрузке, напрягает упаковку устройства и может вызвать отказ усталости после многих циклов. Правильная тепловая конструкция - включая материалы теплового интерфейса, размеры радиатора и скорости потока охлаждения - имеет важное значение для преобразователей на основе тиристора в приложениях непрерывной работы.

Ограниченная скорость переключения

Тиристоры по своей сути являются устройствами медленного переключения. Время включения (тонна) колеблется от 1–10 мкс, а время выключения (tq) от 10–100 мкс в зависимости от рейтинга устройства и условий схемы. Хвостовой ток, вызванный хранимыми миноритарными носителями, продлевает процесс выключения. Эта медленная скорость ограничивает рабочую частоту частотой линии электропередач (50 или 60 Гц) для естественной коммутации или до нескольких сотен Гц для систем принудительной коммутации. Высокочастотные приложения (выше 1 кГц) непрактичны, отбрасывая тиристоры в приложения, где скорость переключения не является критической. Для высокопроизводительных выпрямителей PWM, которые требуют переключения на несколько килогерц, IGBT или MOSFETs являются предпочтительным выбором.

Поколение гармоник

Фазово-управляемые тиристорные преобразователи вытягивают из сети переменного тока несинусоидальный ток. Прямоугольная форма тока содержит значительное низкое гармоническое содержание — в первую очередь 5-й, 7-й, 11-й и 13-й — что может вызвать искажение напряжения, перегрев трансформаторов и генераторов и помехи другому оборудованию. Общее гармоническое искажение (ТГД) шестиимпульсного тиристорного выпрямителя, работающего под углом задержки 30°, может превышать 30 %. Для снятия требуется пассивные фильтры (настроенные ветви LC) или активные гармонические фильтры, увеличивающие размер системы и стоимость. Двенадцатиимпульсные и 24-импульсные конфигурации уменьшают гармоники, но требуют фазово-сменных трансформаторов, добавляя сложность и затраты. Напротив, выпрямители PWM с использованием быстро переключающихся транзисторов могут достигать THD ниже 5 % без громоздких фильтров.

Сравнение с другими полупроводниковыми устройствами

Инженеры должны рассмотреть тиристоры наряду с альтернативными устройствами для преобразования AC/DC. Ниже приводится краткое сравнение с наиболее распространенными конкурентами.

Тиристоры против IGBT

IGBTs предлагают включение и выключение с контролем затвора, что позволяет работать PWM на частотах до десятков килогерц. Они обеспечивают превосходное качество выходного напряжения и более быстрое переходное реагирование. Однако IGBT имеют более высокое падение напряжения вперед при высоких токах (2,5-3,5 В), что делает их менее эффективными в системах с несколькими мегаваттами. IGBT также имеет ограниченную возможность тока с нарастанием и требует более сложных драйверов затвора с отрицательным уклоном для предотвращения ложного включения. Для приложений выше выходного напряжения 5 кВ постоянного тока тиристоры, подключенные к сериям, остаются более практичными и экономически эффективными, чем IGBT, подключенные к сериям, из-за более низкой терпимости IGBT к перенапряжению и необходимости работы без скул.

Тиристоры против мофетов

Мощность MOSFETs — это короли скорости, переключающиеся в наносекундах и работающие выше 100 кГц. Их сопротивление резко возрастает с рейтингом напряжения, что делает их неэффективными выше 200 В. Для преобразователей переменного тока / постоянного тока в низковольтном (12-48 В) и маломощном диапазоне доминируют MOSFETs. Тиристоры не могут конкурировать в этой области из-за их более высокого перепада вперед и более медленного переключения. Для высоковольтных промышленных выпрямителей высокого тока MOSFETs не являются жизнеспособной альтернативой.

Тиристоры против ГТО и ИГКТ

Тиристоры отключения ворот (GTO) и интегрированные тиристоры с коммутацией ворот (IGCT) сочетают в себе высокую способность тиристоров к току с возможностью отключения ворот. Они используются в приводах среднего напряжения и железнодорожной тяге, где требуется высокая плотность мощности и регенерация. Однако эти устройства требуют больших токов от привода ворот (до нескольких сотен ампер) во время отключения, увеличивая сложность водителя и энергопотребление. ИГКТ обеспечивают лучшую производительность переключения, чем стандартные тиристоры, но все еще работают на частотах ниже 1 кГц. В традиционных фазово-управляемых выпрямителях, где регенеративная работа не требуется, стандартные тиристоры остаются проще и экономичнее.

Применение тиристоров в конвертерах AC/DC

Высоковольтный постоянный ток (HVDC)

Преобразовательные станции HVDC используют тиристорные клапаны для преобразования переменного тока в постоянный ток на передающем конце и обратно в переменный ток на приемном конце. Эти клапаны обрабатывают напряжения до ±800 кВ и токи, превышающие 5 кА. Низкие потери в состоянии, прочность и способность быть последовательно сложенными без сложных цепей затвора делают тиристоры единственным практическим переключателем для этого приложения. Каждый клапан состоит из десятков до сотен последовательно связанных тиристоров, тщательно отсортированных с помощью резисторов и снубберов, балансирующих по напряжению. Технология HVDC основана на способности тиристора обрабатывать большие токи скачка во время неисправностей и его зрелой производственной базы.

Большие моторные приводы

Двигатели постоянного тока на основе тиристора для прокатных мельниц, цементных печей и шахтных подъемников обеспечивают плавное управление скоростью путем регулирования напряжения якоря с помощью трехфазного полностью контролируемого выпрямителя моста. Простота управления фазой в сочетании с возможностью выдерживать высокие пусковые токи и перегрузки делает выпрямители тиристора идеальными для таких тяжелых применений. Двигатели переменного тока с использованием циклоконвертеров (прямых преобразователей переменного тока) также используют тиристоры для низкоскоростных, высококрутящих приложений, таких как шаровые мельницы и судовая тяга.

Электрохимическая и аккумуляторная зарядка

Электролизные установки требуют токов постоянного тока в десятки тысяч ампер при относительно низких напряжениях (несколько сотен вольт). Тиристорные выпрямители обеспечивают эту мощность эффективно и надежно. Аналогично, широкоформатные зарядные устройства для вилочных погрузчиков, электрических автобусов и стационарных накопителей энергии используют фазово-управляемые тиристорные мосты для регулирования зарядного тока. Способность выдерживать короткие замыкания на выходе (например, шорты терминала батареи) без немедленного разрушения является ключевым преимуществом перед транзисторными зарядными устройствами.

Поставки электроэнергии для промышленного оборудования

Многие промышленные источники питания используют тиристорный пререгулятор для управления напряжением шины постоянного тока, за которым следует высокочастотный инвертор для регулирования конечного выхода. Предрегулятор обеспечивает грубую регулировку напряжения при высокой эффективности, в то время как инвертор обрабатывает тонкое регулирование и изоляцию. Этот гибридный подход снижает нагрузку на стадию инвертора и повышает общую надежность электроснабжения.

Конвертеры AC/DC на основе Thyristor

Коммутационные схемы

В приложениях принудительной коммутации (например, инверторы или преобразователи переменной частоты) проектировщики должны обеспечивать внешнюю схему для выключения тиристора. Общие методы включают коммутацию тока с использованием заряженного конденсатора и коммутационный тиристор. Коммутационная емкость должна быть рассчитана на хранение достаточного количества энергии для обратного смещения основного тиристора в течение времени, превышающего время выключения tq. Индуктивность в цикле коммутации должна быть сведена к минимуму, чтобы уменьшить время и потери коммутации. Ограничение пикового тока коммутации позволяет избежать нагрузки на компоненты.

Сеть Snubber Network Design

Схема снуббера через каждый тиристор управляет dv/dt при выключении и ограничивает перерасход пикового напряжения. Типичный RC-снуббер использует конденсатор в диапазоне 0,1-1 мкФ и резистор 10-50 Ом, выбранный на основе максимального рейтинга dv/dt устройства и паразитной индуктивности схемы. Значение резистора должно обеспечивать адекватное демпфирование, не вызывая чрезмерного рассеивания мощности во время повторяющегося переключения. Некоторые современные конструкции добавляют свободный диод через резистор для уменьшения потерь. Конструкция снуббера должна быть проверена с помощью моделирования и тестирования прототипа для обеспечения надежной работы в полном диапазоне нагрузки.

Тепловой дизайн и теплоотвод

Полное рассеивание мощности включает потери проводимости (I]RMS × VT) и потери переключения (turn-on plus turn-off). Для линейных коммутационных преобразователей потери переключения незначительны, поэтому потери переключения малы, поэтому естественная конвекция или принудительное охлаждение воздуха типичны для оценок до нескольких сотен ампер; выше этого становится необходимым жидкое охлаждение. Теплоотводное термостойкость должно поддерживать температуру перехода ниже максимально допустимой, с запасом прочности для экстремальных температур окружающей среды. Тепловое соединение и правильный крутящий момент монтажа имеют решающее значение для достижения низкого теплового сопротивления, указанного в таблице данных. Мониторинг температуры теплоотвода с термисторами рекомендуется для защиты тиристоров в случае отказа охлаждения.

Методы запуска Gate

Для фазового управления типичная схема запуска затвора генерирует поезд импульсов, синхронизированных с линией переменного тока. Ширина импульса должна быть достаточно длинной, чтобы обеспечить защелки тиристора, как правило, 100-500 мкс. Высокочастотная модуляция импульса затвора (например, 10 кГц) уменьшает размер трансформатора. Оптическая связь или импульсные трансформаторы обеспечивают изоляцию. Многие современные IC драйвера затвора интегрируют функции обнаружения неисправностей, такие как обнаружение избыточного тока (V] CE детектирование десатурации недоступно для тиристоров, поэтому для последовательно связанных тиристоров необходимо одновременное срабатывание с совпадающими импульсами затвора, чтобы обеспечить равное распределение напряжения во время включения.

Заключение

Тиристоры остаются неотразимым выбором для преобразования AC/DC в мощных, низко-среднечастотных приложениях, где первостепенное значение имеют стоимость, эффективность и прочность. Их способность обрабатывать экстремальные напряжения и токи с простым приводом ворот и низким падением состояния оправдывает их дальнейшее использование в таких областях, как передача HVDC, большие приводы двигателей и электрохимическая обработка. Однако инженеры должны тщательно учитывать свои ограничения: необходимость линейной или принудительной коммутации, генерация гармоник, требование к схемам снуббера и ограничения скорости переключения. Для систем, где требуется быстрый переходный отклик, низкое гармоническое искажение или высокочастотная работа, альтернативные устройства, такие как IGBT или высокочастотные операции, могут быть более подходящими. Сбалансированная конструкция рассматривает всю систему преобразователя, включая управление температурой, схемы коммутации, фильтрацию и сложность управления, чтобы соответствовать требованиям приложения. Таким образом, инженеры могут использовать все преимущества тиристоров, смягчая их неотъемлемые недостатки, достигая надежного и эффективного преобразования мощности на десятилетия вперед.