Свойства тиристора в закрытом состоянии

В соответствии со структурой тиристора можно выделить три электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как показано на рисунок 2.16.

Эта эквивалентная схема позволяет понять поведение тиристора с отключенным управляющим электродом.

Если анод положителен по отношению к катоду, то диод D2 закрыт, что приводит к закрытию тиристора, смещенного в этом случае в прямом направлении. При другой полярности диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и тиристор также закрыт.

Рисунок. 2.16 – Представление тиристора тремя диодами

Принцип отпирания с помощью управляющего электрода

Эквивалентное представление структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рисунок 2.17.

.

Рисунок 2.17 – Разбиение тиристора на два транзистора

Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости приводит к эквивалентной схеме, представленной на рисунок 2.18. Она наглядно объясняет явление отпирания тиристора.

Зададим ток I_GT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение V_AK положительное), как показано на рисунок 2.18.

Рисунок 2.18 – Представление тиристора в виде двухтранзисторной схемы

Так как ток I_GT становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора равен B₁xI_GT, где B₁ - коэффициент усиления по току транзистора Т1.

Этот ток одновременно является базовым током транзистора р-n-р, что приводит к его отпиранию. Ток коллектора транзистора Т2 составляет величину B₁xB₂xI_GT и суммируется с током I_GT, что поддерживает транзистор Т1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток I_GT достаточно велик, оба транзистора переходят в режим насыщения.

Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора даже в случае исчезновения первоначального тока управляющего электрода I_GT, при этом ток анода (1А) остается достаточно высоким.

Типовая схема запуска тиристора приведена на рисунок 2.19.

Рисунок 2.19 – Типичная схема запуска тиристора

Отключение тиристора

Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания (гипостатическим током).

Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки (рисунок 2.20, а) или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания).

Рисунок 2.20 – Способы отключения тиристора

Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью механического выключателя. Включенный последовательно с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.

Включенный параллельно основным электродам тиристора (рисунок. 2.20, б) ключ шунтирует анодный ток, и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.

Для отпирания тиристора необходимо выполнить два условия (рисунок 2.21). Во-первых, его следует включить в прямом направлении, т.е. потенциал его анода А должен быть выше потенциала катода К. Во-вторых, на его управляющий электрод УЭ необходимо подать положительный относительно катода импульс напряжения. Поэтому в положительном полупериоде тиристор отопрется с задержкой на электрический угол а, соответствующий по­даче импульса управления. Следовательно, среднее значение выпрям­ленного тока I_пр, пропорциональное заштрихованной площади, для ти­ристора меньше, чем для диода, и к тому же снижается при увеличении задержки включения:

Рисунок 2.21 – Тиристор в цепи переменного тока

Запирание обычного тиристора снятием импульса управления не­возможно, он выключается только в конце полупериода при снижении переменного напряжения до нуля. Поэтому тиристор называют непол­ностью управляемым вентилем. В течение отрицательного полуперио­да тиристор заперт. Таким образом, тиристор можно использовать не только для выпрямления, но и для регулирования тока.

В сварочных выпрямителях нашли применение вентили штыревого и таблеточного исполнения. У штыревого диода и тиристора (рисунок 2.22, а) один вывод (анод или катод) выполнен в виде медного основания 1 с резьбой для присоединения к охладителю. Другой силовой вывод имеет форму гибкого медного провода 7 с наконечником. К основанию припаян вентильный элемент 2, представляющий собой пластинку монокристалла кремния, спаянную с двумя вольфрамовыми термокомпенсирующими пластинами. С помощью металлокерамической крышки 5 и фторопластовой прокладки 3 вентильный элемент герметизируется. Внутренний силовой вывод 4 припаивается к вентильному элементу и центральному стержню 6 крышки, а уже в этот стержень запрессовыва­ется гибкий вывод.

Конструкция тиристора в штыревом исполнении отличается от ди­ода только наличием управляющего электрода 8. Вентили таблеточно­го исполнения (рисунок 2.22, б) существенно компактней и легче, две плоские поверхности таблетки представляют собой анодный и катодный выводы и предназначены для присоединения к двустороннему охладителю.

Охладители представляют собой ребристую алюминиевую деталь, интенсивно отдающую тепло воздуху. Искусственное воздушное охлаждение с помощью вентилятора при скорости воздушного потока не ме­нее 6 м/с позволяет увеличить токовую нагрузку на вентиль в 3 раза. Во­дяные охладители имеют отверстия для прохода проточной воды, с их помощью токовую нагрузку удается увеличить в 5 раз.

Рисунок 2.22 – Устройство тиристора штыревого (а) и таблеточ­ного (б) исполнения

В последнее время, кроме отдельных вентилей, поставляются и го­товые полупроводниковые блоки, собранные из надежных вентилей малой мощности массового производства.

Принцип фазового управления рассмотрим на примере шестифазной схемы выпрямления с уравнительным дросселем (рисунок 2.23). Проанализируем сначала простейший случай работы на линейное активное со­противление при малом сопротивлении фазы трансформатора (Х=0). В начальный момент Θ₀ ток пропускают вентили V5 и V6 (показано на рисунок 2.23, а тонкой линией). Это объясняется тем, что анод V5 соединен с обмоткой С1, имеющей сейчас наибольший положительный потенциал из обмоток первой группы А1, В1, С1 (рисунок 2.23, б), а анод V6 соединен с обмоткой В2, у которой наибольший положительный потенциал из обмоток второй группы А2, В2, С2 (рисунок 2.23, в). Остальные вентили ток не пропускают. Как было показано на рисунок 2.13, в диодном выпрямителе коммутация тока с вентиля V5 на V1 произошла бы в момент Θ₁=30°, когда напряжение обмотки А1 становится выше, чем у обмотки С1 (и_а1>и_с1). Но для тиристорного выпрямителя в этот момент выполняется только первое условие отпирания вентиля V1 — потенциал его анода стал наибольшим в первой группе обмоток. Отпирание же вентиля V1 произойдет позже — лишь при выполнении второго условия, т.е. в мо­мент подачи сигнала на управляющий электрод тиристора. А до этих пор в первой группе будет работать обмотка С1 и соединенный с ней вентиль V5, хотя потенциал его анода ниже, чем у вентиля V1.

Рисунок 2.23 – Упрощенная принципиальная схема (а) и осциллограммы тиристорного выпрямителя при использовании трансформатора с нормаль­ным (б, в, г, д, ж) и увеличенным (е) рассеянием

Пусть в момент Θ₂ на управляющий электрод тиристора V1 будет наконец подан управляющий импульс. В результате вентиль V1 откро­ется, и на нагрузку станет подаваться потенциал обмотки А1 (показано пунктирной линией на рисунок 2.23, а). При этом вентиль V5 закроется. Мо­мент пересечения фазных напряжений, соответствующий коммутации диодов (Θ₁=30°), называют моментом естественной коммутации и от него отсчитывают угол управления тиристоров (α=Θ₂-Θ₁). Со сдвигом в 60° от момента Θ₂ произойдет коммутация во второй группе обмоток (рисунок. 2.23, в), и в работу вступит вентиль V2, соединенный с обмоткой С2, на которой к этому моменту будет максимальный положительный потен­циал среди обмоток второй группы. Таким образом, вентили включаются в работу через 60° в порядке их нумерации: V1 — V2 — V3 — и т. д., каждый с одинаковым углом задержки α относительно точки естествен­ной коммутации. В любой момент одновременно работают два тири­стора — сначала V₅ и V₆, затем V₆ и V₁ и т.д. благодаря действию дрос­селя L, уравнивающего напряжения в цепи двух тиристоров и поэтому вовлекающего их в параллельную работу. На рисунок 2.23, б и в толстой линией показано напряжение, подаваемое соответствующей группой обмоток на нагрузку. Выпрямленное напряжение u_B в каждый момент равно полусумме напряжений двух работающих обмоток из раз­ных групп (рисунок 2.23, г). Как видно, в интервале Θ₁-Θ₂ это напряже­ние меньше, чем у диодного выпрямителя. Поэтому и среднее значение напряжения тиристорного выпрямителя U_B меньше, чем у диодного, на величину U_z/2, пропорциональную площади заштрихованного участка на рисунок 2.23, б. При углах управления α от 0 до 60° кривая выпрямлен­ного напряжения непрерывна

Фазовое регулирование заключается в изменении угла управления тиристоров, приводящем к изменению части напряжения трансформатора, подаваемого тиристорным выпрямительным блоком на нагрузку.

Фазовое регулирование обладает всеми достоинствами электриче­ского регулирования: компактность и высокая надежность бесконтакт­ных органов управления, плавность и высокая кратность регулирования напряжения, простота дистанционного и программного управления.

Главный недостаток фазового регулирования заключается в значи­тельной пульсации выпрямленного напряжения. При α>60° в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы (рисунок 2.23, ж). Более того, даже в интервале 0<α<60°, несмотря на непрерывность кривой и_в, кривая сварочного тока L прерывиста (рисунок 2.23, д), если напряжение дуги достаточно велико. Разрывы кривой тока возникают в интервалы, когда и_в<U_d.

Для снижения пульсации напряжения и тока устанавливают сглаживающий дроссель L, иногда с обратным диодом VD. В те моменты, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения уменьшается, сварочный ток под­держивается энергией, запасенной дросселем в предыдущий промежу­ток времени. Обратный диод особенно полезен при глубоком регулиро­вании (α>60°), поскольку позволяет дросселю поддерживать ток в моменты, когда тиристоры не пропускают ток.