Metódy tyristorovej komutácie v výkonovej elektronike

Väčšina z prevodníkové zariadenie a spínané zdroje napájania výkonová elektronika komponenty ako tyristory, MOSFET a ďalšie výkonové polovodičové zariadenia pre vysokofrekvenčné spínacie operácie pri vysokom výkone. Zvážte tyristory, ktoré veľmi často používame ako bistabilné prepínače v niekoľkých aplikáciách. Tieto tyristory používajú spínače, ktoré je potrebné zapnúť a vypnúť. Na zapnutie tyristorov existuje metóda zapínania tyristorov nazývaná metódy spúšťania tyristorov. Podobne sú na vypnutie tyristorov k dispozícii aj metódy nazývané komutačné metódy alebo techniky tyristorov. Pred diskusiou o komutačných technikách tyristora musíme vedieť niečo o základných vlastnostiach tyristora, ako je tyristor, prevádzka tyristora, rôzne typy tyristorov a metódy zapínania tyristorov.

Čo je tyristor?

Dve až štyri polovodičové polovodičové súčiastky pozostávajúce zo štyroch vrstiev striedavých materiálov typu N a P sa nazývajú tyristory. Spravidla sa používajú ako bistabilné spínače, ktoré budú fungovať, len keď sa aktivuje hradlová svorka tyristora. Tyristor sa tiež nazýva kremíkom riadený usmerňovač alebo SCR.

Tyristor

Čo je komutácia SCR?

Komutácia nie je nič iné ako metóda vypnutia SCR. Je to jedna metóda používaná na uvedenie SCR alebo tyristoru zo stavu ZAPNUTÉ do stavu VYPNUTÉ. Vieme, že SCR je možné aktivovať použitím hradlového signálu smerom k SCR, keď je v predopätí. SCR sa však musí vypnúť, keď je to potrebné na riadenie výkonu, inak na úpravu výkonu.

Komutačný obvod pre SCR

Keď sa SCR pohybuje v režime smerovania vedenia, potom jeho hradlový terminál stráca kontrolu. Preto by sa mal na vypnutie tyristora / SCR použiť ďalší obvod. Tento ďalší obvod sa teda nazýva komutačný obvod.

Tento výraz sa teda používa hlavne na prenos prúdu z jedného do druhého. Obvod komutácie hlavne redukuje dopredný prúd na nulu, aby sa vypol tyristor. Mali by byť splnené nasledujúce podmienky, aby sa tyristor po jeho vedení vypol.

• Prúdový prúd tyristora alebo SCR by sa mal znížiť na nulu, inak pod úrovňou udržovacieho prúdu.
• SCR / tyristor by mal poskytovať dostatočné spätné napätie, aby sa obnovil jeho stav blokovania vpred.

Akonáhle je SCR vypnutý znížením dopredného prúdu na nulu, potom v rôznych vrstvách existujú nosiče prebytočného náboja. Aby sa obnovil stav blokovania tyristoru vpred, mali by sa tieto nosiče prebytočného náboja rekombinovať. Takže táto metóda rekombinácie sa môže urýchliť použitím reverzného napätia na tyristore.

Tyristorové komutačné metódy

Ako sme študovali vyššie, tyristor je možné zapnúť spustením hradlového terminálu nízkonapäťovým krátkodobým impulzom. Ale po zapnutí bude prebiehať nepretržite, kým nebude tyristor spätne predpätý alebo kým záťažový prúd neklesne na nulu. Toto nepretržité vedenie tyristorov spôsobuje problémy v niektorých aplikáciách. Proces používaný na vypnutie tyristora sa nazýva komutácia. Komutačným procesom sa prevádzkový režim tyristora zmení z režimu dopredného vedenia na režim blokovania vpred. Na vypnutie sa teda používajú metódy tyristorovej komutácie alebo techniky tyristorovej komutácie.

Komutačné techniky tyristorov sú rozdelené do dvoch typov:

• Prirodzená komutácia
• Nútená komutácia

Prirodzená komutácia

Všeobecne platí, že ak vezmeme do úvahy napájanie striedavým prúdom, bude prúd tiecť cez čiaru prechodu nuly pri prechode od pozitívneho píku k negatívnemu píku. Na prístroji sa teda súčasne objaví reverzné napätie, ktoré okamžite vypne tyristor. Tento proces sa nazýva prirodzená komutácia, pretože tyristor je vypnutý prirodzene bez použitia akýchkoľvek externých komponentov alebo obvodu alebo napájania na účely komutácie.

Prirodzenú komutáciu môžeme pozorovať v regulátoroch striedavého napätia, fázovo riadených usmerňovačoch a cyklo prevodníkoch.

Nútená komutácia

Tyristor je možné vypnúť reverzným predpätím SCR alebo použitím aktívnych alebo pasívnych komponentov. Tyristorový prúd je možné znížiť na hodnotu pod hodnotu udržovacieho prúdu. Pretože tyristor je vypnutý násilne, nazýva sa to procesom nútenej komutácie. The základná elektronika a elektrické komponenty indukčnosť a kapacita sa používajú ako komutačné prvky na účely komutácie.

Nútenú komutáciu je možné pozorovať pri použití jednosmerného napájania, preto sa nazýva aj DC komutácia. Externý obvod používaný v procese nútenej komutácie sa nazýva komutačný obvod a prvky použité v tomto obvode sa nazývajú komutačné prvky.

Klasifikácia metód nútenej komutácie

Ďalej je diskutovaná klasifikácia metód tyristorovej komutácie. Jeho klasifikácia sa vykonáva hlavne podľa toho, či je impulz komutácie prúdový impulz napäťového impulzu, či je zapojený do série / paralelne cez SCR, ktorý sa má komutovať, či je signál poskytovaný pomocným alebo hlavným tyristorom, či je obvod komutácie sa nabíja z pomocného alebo hlavného zdroja. Klasifikáciu striedačov možno vykonať hlavne na základe polohy komutačných signálov. Nútenú komutáciu možno rozdeliť do rôznych metód takto:

• Trieda A: Samočinne komutovaná rezonujúcou záťažou
• Trieda B: Automatické prepínanie pomocou LC obvodu
• Trieda C: Cor L-C prepínaná iným SCR prenášajúcim zaťaženie
• Trieda D: C alebo L-C spínané pomocným SCR
• Trieda E: Externý zdroj impulzov pre komutáciu
• Trieda F: komutácia striedavého vedenia

Trieda A: Samočinne komutovaná rezonujúcou záťažou

Trieda A je jednou z často používaných techník komutácie tyristorov. Ak je tyristor spustený alebo zapnutý, potom prúd anódy bude prúdiť nabíjaním kondenzátor C s bodkou ako kladnou. Podtlmený obvod druhého rádu je tvorený induktor alebo striedavý odpor , kondenzátor a odpor. Ak sa prúd hromadí cez SCR a dokončí polovičný cyklus, potom bude prúd cez induktor prúdiť cez SCR v opačnom smere, čím sa vypne tyristor.

Metóda komutácie tyristora triedy A

Po komutácii tyristora alebo vypnutí tyristora sa kondenzátor začne vybíjať zo svojej špičkovej hodnoty cez odpor exponenciálnym spôsobom. Tyristor bude v stave spätného predpätia, kým sa napätie kondenzátora nevráti na úroveň napájacieho napätia.

Trieda B: Samočinne komutovaná obvodom L-C

Hlavný rozdiel medzi metódami komutácie tyristorov triedy A a B je v tom, že LC je zapojený do série s tyristorom v triede A, zatiaľ čo paralelne s tyristorom v triede B. Pred spustením na SCR je kondenzátor nabitý (bodka označuje pozitívne). Ak sa SCR spustí alebo dostane spúšťací impulz, potom má výsledný prúd dve zložky.

Metóda komutácie tyristora triedy B

Konštantný prúd záťaže pretekajúci záťažou R-L je zabezpečený veľkou reaktanciou zapojenou do série so záťažou, ktorá je upnutá voľnobežnou diódou. Ak sínusový prúd preteká rezonančným obvodom L-C, potom je kondenzátor C nabitý bodkou ako záporná na konci pol cyklu.

Celkový prúd pretekajúci cez SCR sa stáva nulovým, pričom spätný prúd pretekajúci cez SCR je oproti malému zápornému výkyvu proti prúdu záťaže. Ak prúd rezonančného obvodu alebo reverzný prúd stúpne iba o prúd záťaže, SCR sa vypne.

Trieda C: C alebo L-C prepínaná iným nosičom zaťaženia SCR

Vo vyššie uvedených komutačných metódach tyristoru sme pozorovali iba jednu SCR, ale v týchto komutačných technikách triedy C tyristora budú dve SCR. Jeden SCR sa považuje za hlavný tyristor a druhý za pomocný tyristor. V tejto klasifikácii môžu obidve pôsobiť ako hlavné SCR prenášajúce záťažový prúd a môžu byť navrhnuté so štyrmi SCR so záťažou cez kondenzátor pomocou zdroja prúdu na napájanie integrovaného prevodníka.

Metóda komutácie tyristora triedy C

Ak sa spustí tyristor T2, kondenzátor sa nabije. Ak sa spustí tyristor T1, kondenzátor sa vybije a tento vybíjací prúd C bude pôsobiť proti toku záťažového prúdu v T2, keď je kondenzátor prepínaný cez T2 cez T1.

Trieda D: L-C alebo C prepínané pomocou pomocného SCR

Metódy komutácie tyristorov triedy C a D sa dajú odlíšiť od zaťažovacieho prúdu v triede D: iba jeden z SCR bude niesť záťažový prúd, zatiaľ čo druhý funguje ako pomocný tyristor, zatiaľ čo v triede C budú oba SCR prenášať zaťažovací prúd. Pomocný tyristor pozostáva z odporu v jeho anóde, ktorý má odpor približne desaťnásobok odporu záťaže.

Trieda D Typ

Spustením Ta (pomocný tyristor) sa kondenzátor nabije na napájacie napätie a potom sa Ta vypne. Dodatočné napätie, ak existuje, v dôsledku značnej indukčnosti vo vstupných vedeniach bude vybíjané obvodom záťaže dióda-induktor.

Ak sa spustí Tm (hlavný tyristor), potom bude prúd tiecť dvoma cestami: komutačný prúd bude prúdiť cestou C-Tm-L-D a záťažový prúd bude prúdiť záťažou. Ak je náboj na kondenzátore obrátený a udržiavaný na tejto úrovni pomocou diódy a ak je znovu spustený Ta, potom sa napätie cez kondenzátor objaví cez Tm cez Ta. Bude teda vypnutý hlavný tyristor Tm.

Trieda E: Externý zdroj impulzu pre komutáciu

Pre tyristorové komutačné techniky triedy E nemôže transformátor nasýtiť (pretože má dostatočnú železnú a vzduchovú medzeru) a je schopný prenášať záťažový prúd s malým poklesom napätia v porovnaní s napájacím napätím. Ak sa spustí tyristor T, potom bude prúd pretekať cez záťažový a impulzný transformátor.

Trieda E Typ

Externý generátor impulzov sa používa na generovanie kladného impulzu, ktorý sa dodáva na katódu tyristora prostredníctvom impulzného transformátora. Kondenzátor C je nabitý na približne 1 V a považuje sa za nulovú impedanciu po dobu trvania vypínacieho impulzu. Napätie na tyristore je obrátené impulzom z elektrický transformátor ktorý dodáva spätný zotavovací prúd a po požadovanú dobu vypnutia udržuje záporné napätie.

Trieda F: komutovaná sieťová linka

V technikách komutácie tyristorov triedy F sa na napájanie používa striedavé napätie a počas kladného pol cyklu tohto napájania bude prúdiť záťažový prúd. Ak je záťaž vysoko indukčná, potom prúd zostane, kým sa energia uložená v indukčnej záťaži nerozptýli. Počas záporného pol cyklu, keď sa záťažový prúd stane nulovým, sa tyristor vypne. Ak existuje napätie po dobu stanoveného času vypnutia prístroja, negatívna polarita napätia na výstupnom tyristore ho vypne.

Trieda F Typ

Tu musí byť trvanie pol cyklu väčšie ako čas vypnutia tyristora. Tento komutačný proces je podobný konceptu trojfázového meniča. Uvažujme, že predovšetkým T1 a T11 vedú s uhlom spustenia prevodníka, ktorý je rovný 60 stupňom a pracuje v režime nepretržitého vedenia s vysoko indukčným zaťažením.

Ak sa spustia tyristory T2 a T22, potom prúd cez prichádzajúce zariadenia okamžite nezvýši na úroveň zaťažovacieho prúdu. Ak prúd cez prichádzajúce tyristory dosiahne úroveň zaťažovacieho prúdu, bude zahájený komutačný proces odchádzajúcich tyristorov. Toto reverzné predpäťové napätie tyristora by malo pokračovať, kým sa nedosiahne stav blokovania vpred.

Zlyhanie metód komutácie tyristora

Porucha komutácie tyristora sa objavuje hlavne preto, že sú komutované a pokles napätia môže viesť k neadekvátnemu komutácii napätia, takže spôsobí poruchu po zapnutí nasledujúceho tyristora. Zlyhanie komutácie teda nastáva z niekoľkých dôvodov, z ktorých niektoré sú diskutované nižšie.
Tyristory poskytujú pomerne pomalý čas spätného zotavenia, takže hlavný spätný prúd môže dodávať v smerovacom vedení. To môže znamenať „poruchový prúd“, ktorý sa cyklicky objavuje pri asociovanom rozptýlení výkonu, ktorý sa objaví pri poruche SCR.

V elektrickom obvode je komutácia v podstate raz, keď prúd tečie z jednej vetvy obvodu do druhej. Zlyhanie komutácie nastáva hlavne vtedy, keď zmena cesty zlyhá z akýchkoľvek dôvodov.
Pre invertor alebo obvod usmerňovača, ktoré využívajú SCR, môže dôjsť k poruche komutácie z dvoch základných dôvodov.

Ak sa tyristor nezapne, tok prúdu sa neprepne a metóda komutácie bude nedostatočná. Podobne, ak dôjde k výpadku tyristora, potom môže byť prúd prúdu čiastočne komutovaný smerom k nasledujúcej vetve. Toto sa teda tiež považuje za neúspech.

Rozdiel medzi technikami prirodzenej komutácie a nútenej komutácie

Ďalej sa hovorí o rozdieloch medzi prirodzenou komutáciou a nútenou komutáciou.

Tyristor možno nazvať jednoducho riadeným usmerňovačom. Existujú rôzne typy tyristorov, ktoré sa používajú na návrh výkonovej elektroniky inovatívne elektrické projekty . Proces zapnutia tyristora poskytnutím spúšťacích impulzov do svorky brány sa nazýva spúšťanie. Podobne sa proces vypínania tyristora nazýva komutácia. Dúfam, že tento článok poskytuje stručné informácie o rôznych komutačných technikách tyristora. Ďalšia technická pomoc bude poskytnutá na základe vašich komentárov a otázok v sekcii komentárov nižšie.