Metody komutacji tyrystorów w energoelektronice

Większość sprzęt konwertera i zasilacze impulsowe elektronika mocy komponenty, takie jak tyrystory, MOSFET i inne urządzenia półprzewodnikowe mocy do operacji przełączania o wysokiej częstotliwości przy dużych mocach znamionowych. Rozważmy tyrystory, których używamy bardzo często jako przełączniki bistabilne w kilku zastosowaniach. Te tyrystory używają przełączników, które trzeba włączać i wyłączać. Do włączania tyrystorów służą metody włączania tyrystorów zwane metodami wyzwalania tyrystorów. Podobnie w przypadku wyłączania tyrystorów istnieją metody zwane metodami lub technikami komutacji tyrystorów. Przed omówieniem technik komutacji tyrystorów musimy wiedzieć coś o podstawach tyrystorów, takich jak tyrystor, działanie tyrystora, różne typy tyrystorów i metody włączania tyrystorów.

Co to jest tyrystor?

Dwa do czterech ołowianych elementów półprzewodnikowych składających się z czterech warstw naprzemiennych materiałów typu N i P. nazywane są tyrystorami. Są one zwykle używane jako przełączniki bistabilne, które będą przewodzić tylko wtedy, gdy zadziała zacisk bramki tyrystora. Tyrystor jest również nazywany prostownikiem sterowanym krzemem lub SCR.

Tyrystor

Co to jest komutacja SCR?

Komutacja to nic innego jak metoda wyłączania SCR. Jest to jedna z metod przełączania tyrystora lub tyrystora ze stanu włączenia do stanu wyłączenia. Wiemy, że SCR można aktywować za pomocą sygnału bramki skierowanego do SCR, gdy jest on w trybie forwarding bias. Ale SCR musi się wyłączyć, gdy jest to wymagane do sterowania mocą, w przeciwnym razie kondycjonowanie mocy.

Obwód komutacyjny dla SCR

Gdy SCR porusza się w trybie przewodzenia przekazywania, wówczas jego terminal bramkowy traci kontrolę. W tym celu należy zastosować dodatkowy obwód do wyłączania tyrystora / tyrystora. Tak więc ten dodatkowy obwód nazywany jest obwodem komutacyjnym.

Dlatego termin ten jest używany głównie do przenoszenia prądu z jednego ane do drugiego. Obwód komutacji głównie zmniejsza prąd przewodzenia do zera, aby wyłączyć tyrystor. Tak więc, aby tyrystor wyłączał się po przewodzeniu, powinny być spełnione następujące warunki.

• Prąd przewodzenia tyrystora lub tyrystora należy zmniejszyć do zera, w przeciwnym razie poniżej poziomu prądu podtrzymania.
• Należy zapewnić wystarczające napięcie wsteczne na tyrystor / tyrystor, aby przywrócić stan blokowania kierunku przewodzenia.

Po wyłączeniu tyrystora przez zmniejszenie prądu przewodzenia do zera, w różnych warstwach istnieje nadmiar nośników ładunku. Aby odzyskać stan blokowania tyrystora do przodu, te dodatkowe nośniki ładunku powinny zostać ponownie połączone. Tak więc ta metoda rekombinacji może przyspieszyć, przykładając napięcie wsteczne na tyrystor.

Metody komutacji tyrystorów

Jak zbadaliśmy powyżej, tyrystor można włączyć, wyzwalając zacisk bramki za pomocą niskonapięciowego krótkotrwałego impulsu. Ale po włączeniu będzie działał w sposób ciągły, dopóki tyrystor nie zostanie spolaryzowany odwrotnie lub prąd obciążenia spadnie do zera. To ciągłe przewodzenie tyrystorów powoduje problemy w niektórych zastosowaniach. Proces wyłączania tyrystora nazywa się komutacją. W procesie komutacji tryb pracy tyrystora zmienia się z trybu przewodzenia do przodu na tryb blokowania do przodu. Tak więc metody komutacji tyrystorowej lub techniki komutacji tyrystorowej są używane do wyłączania.

Techniki komutacyjne tyrystorów dzielą się na dwa typy:

• Naturalna komutacja
• Wymuszona komutacja

Naturalna komutacja

Generalnie, jeśli weźmiemy pod uwagę zasilanie prądem przemiennym, prąd przepłynie przez linię przejścia przez zero, przechodząc od szczytu dodatniego do szczytu ujemnego. W ten sposób na urządzeniu pojawi się jednocześnie napięcie wsteczne, które natychmiast wyłączy tyrystor. Proces ten nazywany jest komutacją naturalną, ponieważ tyrystor jest wyłączany w sposób naturalny bez użycia jakichkolwiek zewnętrznych komponentów, obwodów lub zasilania do celów komutacji.

Naturalną komutację można zaobserwować w regulatorach napięcia przemiennego, prostownikach sterowanych fazowo i przetwornikach cyklicznych.

Wymuszona komutacja

Tyrystor można wyłączyć przez odwrotne polaryzowanie SCR lub za pomocą elementów aktywnych lub pasywnych. Prąd tyrystora można zredukować do wartości poniżej wartości prądu podtrzymania. Ponieważ tyrystor jest wyłączany na siłę, nazywa się to wymuszonym procesem komutacji. Plik podstawowe elementy elektroniczne i elektryczne takie jak indukcyjność i pojemność są używane jako elementy komutujące do celów komutacji.

Komutację wymuszoną można zaobserwować podczas korzystania z zasilania DC, stąd nazywana jest również komutacją DC. Obwód zewnętrzny używany do wymuszonego procesu komutacji nazywany jest obwodem komutacyjnym, a elementy stosowane w tym obwodzie nazywane są elementami komutującymi.

Klasyfikacja metod wymuszonej komutacji

Poniżej omówiono klasyfikację metod komutacji tyrystorowej. Jego klasyfikacji dokonuje się głównie w zależności od tego, czy impuls komutacji jest impulsem prądowym impulsu napięcia, czy jest połączony szeregowo / równolegle przez komutowany tyrystor SCR, czy sygnał jest podawany przez tyrystor pomocniczy czy główny, czy obwód komutacyjny jest ładowany z pomocniczego lub głównego źródła. Klasyfikacji falowników można dokonać głównie na podstawie lokalizacji sygnałów komutacyjnych. Wymuszoną komutację można podzielić na różne metody w następujący sposób:

• Klasa A: komutacja własna przez obciążenie rezonansowe
• Klasa B: komutacja własna przez obwód LC
• Klasa C: Cor L-C przełączany przez inny nośny SCR
• Klasa D: C lub L-C przełączana przez pomocniczy SCR
• Klasa E: Zewnętrzne źródło impulsów do komutacji
• Klasa F: komutacja linii AC

Klasa A: komutacja własna przez obciążenie rezonansowe

Klasa A jest jedną z często stosowanych technik komutacji tyrystorowej. Jeśli tyrystor zostanie wyzwolony lub włączony, prąd anodowy będzie płynął podczas ładowania kondensator C z kropką jako pozytywną. Obwód niedotłumiony drugiego rzędu jest utworzony przez cewka indukcyjna lub rezystor AC , kondensator i rezystor. Jeśli prąd gromadzi się przez tyrystor i kończy półokres, wówczas prąd cewki przepłynie przez tyrystor w odwrotnym kierunku, co spowoduje wyłączenie tyrystora.

Tyrystorowa metoda komutacji klasy A.

Po komutacji tyrystora lub wyłączeniu tyrystora kondensator zacznie się rozładowywać od wartości szczytowej przez rezystor w sposób wykładniczy. Tyrystor będzie w stanie odwrotnego polaryzacji, dopóki napięcie kondensatora nie powróci do poziomu napięcia zasilania.

Klasa B: komutacja własna przez obwód L-C

Główną różnicą między metodami komutacji tyrystorowej klasy A i klasy B jest to, że LC jest połączony szeregowo z tyrystorem w klasie A, podczas gdy równolegle z tyrystorem w klasie B. Przed wyzwoleniem tyrystora kondensator jest ładowany (kropka wskazuje pozytywny). Jeśli tyrystor jest wyzwalany lub otrzymywany jest impuls wyzwalający, wówczas wynikowy prąd ma dwie składowe.

Metoda komutacji tyrystorów klasy B.

Stały prąd obciążenia przepływający przez obciążenie R-L zapewnia duża reaktancja połączona szeregowo z obciążeniem, które jest blokowane diodą gaszącą. Jeżeli prąd sinusoidalny przepływa przez rezonansowy obwód L-C, to kondensator C jest ładowany z kropką jako ujemną na koniec półokresu.

Całkowity prąd przepływający przez tyrystor staje się zerowy, a prąd wsteczny przepływa przez tyrystor przeciwstawny do prądu obciążenia przez niewielką część ujemnego wahania. Jeśli prąd obwodu rezonansowego lub prąd wsteczny stanie się tylko większy niż prąd obciążenia, tyrystor zostanie WYŁĄCZONY.

Klasa C: C lub L-C przełączane przez inny SCR przenoszący ładunek

W powyższych tyrystorowych metodach komutacji zaobserwowaliśmy tylko jeden SCR, ale w tych technikach komutacji tyrystorów klasy C będą dwa SCR. Jeden SCR jest uważany za tyrystor główny, a drugi za tyrystor pomocniczy. W tej klasyfikacji oba mogą działać jako główne SCR przenoszące prąd obciążenia i mogą być zaprojektowane z czterema SCR z obciążeniem na kondensatorze przy użyciu źródła prądu do zasilania integralnego przetwornika.

Metoda komutacji tyrystorów klasy C.

Jeśli tyrystor T2 zostanie uruchomiony, kondensator zostanie naładowany. Jeśli tyrystor T1 zostanie wyzwolony, kondensator rozładuje się i ten prąd rozładowania C będzie przeciwstawiał się przepływowi prądu obciążenia w T2, gdy kondensator jest przełączany na T2 przez T1.

Klasa D: L-C lub C przełączane przez pomocniczy tyrystor

Metody komutacji tyrystorowej klasy C i klasy D można rozróżnić na podstawie prądu obciążenia w klasie D: tylko jeden z tyrystorów będzie przenosił prąd obciążenia, a drugi działa jako tyrystor pomocniczy, podczas gdy w klasie C oba tyrystory będą przenosić prąd obciążenia. Tyrystor pomocniczy składa się z rezystora w anodzie, którego rezystancja jest w przybliżeniu dziesięciokrotnie większa od rezystancji obciążenia.

Typ klasy D.

Poprzez wyzwolenie Ta (tyrystor pomocniczy) kondensator jest ładowany do napięcia zasilania, a następnie Ta się wyłącza. Dodatkowe napięcie, jeśli występuje, spowodowane znaczną indukcyjnością w przewodach wejściowych, zostanie rozładowane przez obwód obciążenia dioda-cewka indukcyjna.

Jeśli Tm (główny tyrystor) zostanie wyzwolony, prąd będzie płynął dwiema ścieżkami: prąd komutujący przepłynie przez ścieżkę C-Tm-L-D, a prąd obciążenia przepłynie przez obciążenie. Jeśli ładunek na kondensatorze zostanie odwrócony i utrzymany na tym poziomie za pomocą diody i jeśli Ta zostanie ponownie wyzwolona, ​​wówczas napięcie na kondensatorze pojawi się na Tm przez Ta. W ten sposób główny tyrystor Tm zostanie wyłączony.

Klasa E: zewnętrzne źródło impulsów do komutacji

W przypadku technik komutacji tyrystorowej klasy E transformator nie może nasycać się (ponieważ ma wystarczającą szczelinę żelazną i powietrzną) i może przenosić prąd obciążenia przy niewielkim spadku napięcia w porównaniu z napięciem zasilania. Jeśli tyrystor T zostanie wyzwolony, prąd przepłynie przez transformator obciążenia i impulsów.

Typ klasy E.

Zewnętrzny generator impulsów służy do generowania dodatniego impulsu, który jest dostarczany do katody tyrystora przez transformator impulsowy. Kondensator C jest ładowany do około 1 V i uważa się, że ma zerową impedancję na czas trwania impulsu wyłączającego. Napięcie na tyrystorze jest odwracane przez impuls z transformator elektryczny który dostarcza zwrotny prąd powrotny i przez wymagany czas wyłączenia utrzymuje napięcie ujemne.

Klasa F: komutowana linia AC

W technikach komutacji tyrystorowej klasy F do zasilania wykorzystywane jest napięcie przemienne i podczas dodatniego półcyklu tego zasilania płynie prąd obciążenia. Jeśli obciążenie jest silnie indukcyjne, prąd pozostanie do momentu rozproszenia energii zmagazynowanej w obciążeniu indukcyjnym. Podczas ujemnego półcyklu, gdy prąd obciążenia osiągnie zero, tyrystor wyłączy się. Jeśli napięcie istnieje przez okres znamionowego czasu wyłączenia urządzenia, to ujemna polaryzacja napięcia na wychodzącym tyrystorze wyłączy je.

Typ klasy F.

Tutaj czas trwania półcyklu musi być większy niż czas wyłączenia tyrystora. Ten proces komutacji jest podobny do koncepcji przetwornika trójfazowego. Rozważmy, że przede wszystkim T1 i T11 przewodzą z kątem wyzwalania przekształtnika, który jest równy 60 stopni i pracuje w trybie ciągłego przewodzenia z silnie indukcyjnym obciążeniem.

Jeśli tyrystory T2 i T22 zostaną wyzwolone, to natychmiast prąd płynący przez urządzenia wejściowe nie wzrośnie do poziomu prądu obciążenia. Jeżeli prąd płynący przez przychodzące tyrystory osiągnie poziom prądu obciążenia, wówczas zostanie zainicjowany proces komutacji wychodzących tyrystorów. To odwrotne napięcie polaryzacji tyrystora powinno być kontynuowane aż do osiągnięcia stanu blokowania do przodu.

Awaria metod komutacji tyrystorów

Awaria komutacji tyrystorów występuje głównie z powodu komutacji linii, a spadek napięcia może prowadzić do niewystarczającego napięcia do komutacji, więc powoduje awarię po uruchomieniu kolejnego tyrystora. Zatem awaria komutacji występuje z kilku powodów, z których niektóre są omówione poniżej.
Tyrystory zapewniają dość długi czas powrotu do tyłu, więc główny prąd wsteczny może dostarczać w przewodzeniu przewodzenia. Może to oznaczać „prąd zwarciowy”, który pojawia się cyklicznie w wyniku związanego z nim rozpraszania mocy w momencie awarii tyrystora SCR.

W obwodzie elektrycznym komutacja występuje zasadniczo, gdy przepływ prądu z jednej gałęzi obwodu do drugiej. Błąd komutacji występuje głównie wtedy, gdy zmiana ścieżki nie powiedzie się z jakiegokolwiek powodu.
W przypadku falownika lub obwodu prostownika, który wykorzystuje tyrystory SCR, awaria komutacji może wystąpić z dwóch podstawowych powodów.

Jeśli tyrystor nie włączy się, przepływ prądu nie zostanie przełączony, a metoda komutacji nie zadziała. Podobnie, jeśli tyrystor nie może się wyłączyć, wówczas przepływ prądu może częściowo zmienić się w kierunku następnej gałęzi. Więc to również jest uważane za awarię.

Różnica między naturalnymi a wymuszonymi technikami komutacji

Różnice między komutacją naturalną a komutacją wymuszoną omówiono poniżej.

Tyrystor można po prostu nazwać sterowanym prostownikiem. Istnieją różne typy tyrystorów, które są używane do projektowania układów energoelektronicznych innowacyjne projekty elektryczne . Proces włączania tyrystora poprzez dostarczanie impulsów wyzwalających do zacisku bramki nazywa się wyzwalaniem. Podobnie proces wyłączania tyrystora nazywany jest komutacją. Mam nadzieję, że ten artykuł zawiera krótkie informacje o różnych technikach komutacji tyrystora. Dalsza pomoc techniczna zostanie udzielona na podstawie twoich komentarzy i zapytań w sekcji komentarzy poniżej.