Analiza comutatiei tiristoarelor

Analiza comutatiei tiristoarelor

Un tiristor este un dispozitiv semiconductor cu patru straturi si trei jonctiuni si poate fi comutat din starea blocat (OFF, fara curent anodic) la starea de conductie (ON), printr-un curent pozitiv de grila. Acest proces este denumit in mod uzual amorsare. Tiristorul va continua sa conduca atata timp cat curentul anodic (de sarcina) este mai mare decat curentul de mentinere (I_Ah), dat in catalog.

Circuitul echivalent este compus din doua tranzistoare complementare ca in figura 1. Cu grila in gol sau scurtcircuitata la catodul (K), dispozitivul este blocat, deci nu trece curent de la anod la catod, cu exceptia unui curent foarte mic de "curgere", datorat agitatiei termice. Cand un impuls pozitiv extern (de curent) este aplicat grilei, tranzistorul echivalent (t₂) comuta in starea ON si curentul de colector rezultat este curentul de baza pentru (t₁). Reactia pozitiva stabilita intre cele doua tranzistoare poate mentine tiristorul in starea ON (starea de conductie), amorsat si semnalul grilei (U_GK, i_G) poate fi inlaturat. In aplicatii, dispozitivul continua sa conduca pana cand tensiunea anodului are o valoare pozitiva mai mica decat tensiunea catodului. In utilizari industriale tiristorului i se aplica un impuls pozitiv de curent pe grila in momentul in care este dorita amorsarea. La polarizare inversa, figura 2, caracteristica este similara cu a unei diode cu un mic curent invers de curgere (RLC, Reverse Leakage Current), si o tensiune inversa de strapungere (RBV, Reverse Break-down Voltage).

La polarizare directa, principalii parametrii ai caracteristicii statice sunt:

= FLC: curentul direct de curgere (Forward Leakage Current);

= FBV: tensiunea directa de strapungere (Forward Break-down Voltage).

Pentru (U_ak > FBV), tiristorul amorseaza fara curent de grila. Injectand un curent pozitiv in grila, tensiunea directa de strapungere se reduce fata de tensiunea aplicata si tiristorul amorseaza mult mai usor.

Amorsarea prin curent de grila este cea mai frecventa aplicatie a tiristoarelor, pentru a controla momentul de timp in care este initiata conductia.

Exista si alte situatii (nedorite) in care tiristorul amorseaza:

Supratensiunea directa de strapungere: chiar si in absenta semnalului de grila, asa cum s-a precizat deja, cresterea excesiva a tensiunii directe a anodului produce amorsarea tiristorului. Aceasta situatie trebuie evitata prin alegerea valorii maxime a tensiunii sursei de alimentare de putere sub valoarea tensiunii maxime admise date in catalog.

Amorsarea prin iradiere. Un tiristor poate fi amorsat prin iradierea jonctiunii cu lumina, raze gama sau raze X. Folosind acest efect, exista tiristoare sofisticate (si inca scumpe) amorsate prin iluminare (foto-tiristoare).

Amorsarea prin "dv/dt". O crestere rapida a tensiunii anod - catod (fara curent de grila), poate amorsa tiristorul prin aparitia unui curent semnificativ de "inductie electrica". Acest fenomen apare in special la sarcini inductive. Valorile tipice limita ale pantei (dv/dt) sunt de cca. (10-20) (V/msec). Limite de valori mari sunt specifice tiristoarelor rapide

Functionarea la supratemperaturi. O crestere excesiva a temperaturii jonctiunii tiristoarelor produce cresterea curentului de curgere si poate amplifica efectul reactiei pozitive interne, declansand procesul de auto-amorsare. Pentru a evita supraincalzirea, tiristoarele se monteaza pe radiatoare, ventilate corespunzator.

Pentru functionarea sigura in proiectare a tiristoarelor, trebuie asigurate anumite conditii:

Limitarea pantei curentului anodic (di_A/dt). In anumite aplicatii, tiristoarele sunt supuse unei cresteri rapide a curentului anodic (i_A) in procesul de amorsare. In consecinta, doar zona de semiconductor de langa grila incepe sa conduca. Intreg curentul anodic va trece doar prin aceasta portiune mica a suprafetei totale a semiconductorului, aparand efectul petei calde. Rezultatul este distrugerea in timp a structurii cristaline a semiconductorului. In ciuda dezvoltarilor tehnologice si a cresterii valorii admise pentru (di_A/dt)_max se recomanda o mica inductanta inseriata cu sarcina rezistiva pentru a reduce valoarea reala a pantei (di_A/dt)_max. Daca sarcina are un caracter inductiv-rezistiv, adaugarea inductantei aditionale nu mai are sens, dar este necesar un circuit de protectie ("snubber") sofisticat.

Limitarea tensiunii anodice maxime, la valori mai reduse decat valorile limita date in catalogul tiristorului va evita amorsarea nedorita datorita supratensiunilor directe. Supratensiunile inverse vor distruge tiristorul.

Limitarea pantei tensiunii anodice (dv_AK/dt) este posibila prin folosirea unor circuite snubber, care constau din circuite RC serie, conectate intre anodul si catodul tiristorului.

Limitarea curentului anodic. Pentru a evita supraincalzirea tiristoarelor, valoarea medie a curentului anodic trebuie sa fie mai mica decat valoarea limita stabilita de producator.

Valorile tensiunii si curentului de grila trebuie stabilite in acord cu datele de catalog pentru a asigura o amorsare corespunzatoare a tiristoarelor si a proteja circuitul grilei.

O data ce tiristorul a fost amorsat, blocarea nu mai este posibila prin intermediul curentului de grila. In acest caz este necesar un circuit special cu componente aditionale, numit circuit de stingere. Intrucat blocarea tiristorului apare daca curentul anodic (i_A) scade sub valoarea de mentinere (I_Ah) pe o durata mai mare decat durata (t_q) precizata de catre producator, circuitul de stingere va polariza invers tiristorul pe o durata

Dt > t_q    (1)

Procesul este numit stingere fortata sau comutatie fortata

Daca tiristorul este conectat intr-un circuit de c.a., apare o comutatie naturala stingere naturala), intrucat tensiunea sursei alternative trece in mod natural prin zero, asigurand stingerea acestuia.

In continuare se prezinta cateva exemple de circuite pentru comutatie fortata, tiristorul fiind folosit, evident, in curent continuu.

In figura 3 este prezentata o stingere prin auto-comutatie cu circuit (LC) paralel cu tiristorul. Initial condensatorul este incarcat la tensiunea si tiristorul este in starea blocat. La , tiristorul este amorsat ("aprins") si curentul anodic va circula inspre sarcina (Z_L). In circuitul (LC) serie este dezvoltat un proces oscilant (rezonant), cu un curent dat de ecuatia:

(2)

si .

In prima semi-perioada , datorita curentului oscilant pozitiv, curentul anodic are o valoare mare:

,

dar in a doua semi-perioada (Dt), (i_osc) este negativ.

Daca , exista un moment , figura 4, in care curentul anodic se anuleaza si tiristorul este blocat. Durata de conductie (t_C) este aproximata prin:

.

Pentru a modifica curentul de sarcina, este aplicata strategia modulatiei in frecventa, cu si , in care (t_off) reprezinta durata in care tiristorul este blocat.

Pentru a controla liber timpul de conductie (t_C), se utilizeaza un alt circuit auxiliar, care genereaza impulsuri externe de polarizare inversa, figura 5, in scopul stingerii (blocarii) tiristorului principal (Thy). Impulsul de stingere este obtinut de la o sursa auxiliara de tensiune (v_a).

La , se amorseaza tiristoarele (Thy) si (T_a2). Curentul de sarcina (i_L) circula prin (Thy) de la sursa (E), dar in acelasi timp incepe sa circule si un curent oscilant (i_osc) prin (T_a2), pe seama sursei (V_a). Condensatorul (C) este incarcat la , moment in care procesul oscilant se intrerupe datorita conductiei unilaterale a tiristorului (T_a2), asa incat in momentul in care , tiristorul (T_a2) se blocheaza. Pentru a bloca tiristorul principal (Thy), la sfarsitul intervalulul (t_ON), este amorsat tiristorul (T_a1). Deoarece , (Thy) este polarizat invers, curentul de sarcina va descarca condensatorul (C) si la o anumita valoare a tensiunii pe condensator, curentul prin acesta se anuleaza. In acel moment si tiristorul auxiliar (T_a1) se va bloca. Formele de unda tipice sunt prezentate in figura 6.

Curentul anodic al tiristorului principal (Thy) incepe sa scada (la , cand (T_a1) a fost aprins) cu o panta data de circuitul exterior, figura 6. Condensatorul (C) trebuie sa fie suficient de mare pentru a asigura un timp de polarizare invers mai mare decat durata de blocare (t_q) data in catalog. Doar dupa acest timp, tiristorul (Thy) este capabil sa blocheze o tensiune directa fara sa reamorseze.

De notat ca pentru tiristoare rapide si pentru tiristoare uzuale.

Circuitele de amorsare a tiristoarelor (de comanda a grilei) trebuie sa genereze impulsuri de curent de grila in momentele in care dispozitivul de putere trebuie sa fie amorsat. Circuitele de comanda a bazei asigura:

amplificarea in putere a impulsurilor de pe grila

izolarea galvanica intre circuitul de comanda si circuitul de putere, la care tiristoarele sunt folosite si al carui potential este mare si variabil.

Un exemplu de circuit de amorsare (de control al circuitului de grila) este prezentat in figura 7. Pentru separarea galvanica este folosit un transformator de impulsuri (TR), dar pot fi folosite si opto-cuploare. La o tensiune de comanda (v_C) pozitiva, tranzistoarele (T₁) si (T₂) sunt saturate, generandu-se in circuitul secundar al transformatorului un impuls pozitiv de curent pe poarta tiristorului principal.

Pentru a functiona la un curent de sarcina mai mare decat curentul anodic admis de tiristor, trebuie folosita conectarea in paralel a tiristoarelor. Pentru a diminua diferentele de curent din tiristoare, pot fi folosite inductante de divizare (echilibrare) a acestor curenti, figura 8. Grilele tiristoarelor sunt alimentate de la aceeasi sursa pentru a forta o amorsare simultana a tuturor tiristoarelor.

Daca tensiunea circuitului de putere depaseste tensiunea anodica admisa pe tiristor, tiristoarele trebuie conectate in serie. O divizare corecta si uniforma a tensiunii pe tiristoare poate fi obtinuta prin utilizarea unei retele de rezistente de echilibrare (R), ca in figura 9. Datorita potentialului ridicat la care lucreaza circuitul de forta (poate fi vorba de kV), circuitele de amorsare a grilei au nevoie de o foarte buna izolatie intre infasurarile transformatorului. Folosirea optotiristoarelor (a tiristoarelor controlate optic) simplifica mult circuitul de grila.

Pentru a limita panta de crestere a tensiunii anod-catod (dv_AK/dt), se folosesc circuite de tip snubber, figura 10, care imbunatateste comutatia tiristorului si reduce puterea disipata pe tiristor.