Tyristorové komutační metody v výkonové elektronice

Většina převodník zařízení a spínané napájecí zdroje výkonová elektronika komponenty jako tyristory, MOSFET a další výkonová polovodičová zařízení pro vysokofrekvenční spínací operace při vysokém výkonu. Zvažte tyristory, které velmi často používáme jako bistabilní spínače v několika aplikacích. Tyto tyristory používají spínače, které je třeba zapínat a vypínat. Pro zapnutí tyristorů existují některé tyristorové zapínací metody, které se nazývají tyristorové spouštěcí metody. Podobně pro vypnutí tyristorů existují metody zvané tyristorové komutační metody nebo techniky. Než budeme diskutovat o technikách komutace tyristoru, musíme vědět něco o základech tyristoru, jako je tyristor, operace tyristoru, různé typy tyristorů a metody zapnutí tyristoru.

Co je tyristor?

Dvě až čtyři olověná polovodičová zařízení, která se skládají ze čtyř vrstev střídavých materiálů typu N a P, se nazývají tyristory. Obvykle se používají jako bistabilní spínače, které budou fungovat pouze při spuštění hradlového terminálu tyristoru. Tyristor se také nazývá křemíkem řízený usměrňovač nebo SCR.

Tyristor

Co je komutace SCR?

Komutace není nic jiného než metoda vypnutí SCR. Jedná se o jednu metodu používanou k uvedení SCR nebo tyristoru ze stavu ON do stavu OFF. Víme, že SCR lze aktivovat pomocí signálu brány směrem k SCR, když je v předpětí. SCR se ale musí vypnout, když je to nutné pro řízení výkonu, jinak pro úpravu výkonu.

Komutační obvod pro SCR

Když se SCR pohybuje v režimu předávání vedení, pak jeho hradlový terminál ztrácí kontrolu. K tomu by měl být použit nějaký další obvod k vypnutí tyristoru / SCR. Tento další obvod se tedy nazývá komutační obvod.

Tento termín se tedy používá hlavně k přenosu proudu z jednoho do druhého. Obvod komutace hlavně snižuje dopředný proud na nulu, aby se vypnul tyristor. Měly by být splněny následující podmínky pro vypnutí tyristoru, jakmile je veden.

• Dopředný proud tyristoru nebo SCR by měl být snížen na nulu, jinak pod úrovní udržovacího proudu.
• Přes SCR / tyristor by mělo být zajištěno dostatečné zpětné napětí, aby se obnovil jeho stav blokování dopředu.

Jakmile je SCR vypnutý snížením dopředného proudu na nulu, pak v různých vrstvách existují nosiče přebytečného náboje. Aby se obnovil stav blokování tyristoru vpřed, měly by být tyto nosiče přebytečného náboje rekombinovány. Tato metoda rekombinace se tedy může zrychlit aplikací reverzního napětí na tyristor.

Tyristorové komutační metody

Jak jsme studovali výše, tyristor lze zapnout spuštěním hradlového terminálu s nízkým napětím s krátkou dobou trvání. Po zapnutí však bude probíhat nepřetržitě, dokud nebude tyristor předpjatý nebo zatěžovací proud neklesne na nulu. Toto nepřetržité vedení tyristorů způsobuje problémy v některých aplikacích. Proces používaný k vypnutí tyristoru se nazývá komutace. Procesem komutace se provozní režim tyristoru změní z režimu dopředného vedení na režim blokování dopředu. K vypnutí se tedy používají tyristorové komutační metody nebo tyristorové komutační techniky.

Komutační techniky tyristorů se dělí na dva typy:

• Přirozená komutace
• Nucená komutace

Přirozená komutace

Obecně platí, že pokud vezmeme v úvahu napájení střídavým proudem, bude proud protékat čárou přecházející z nuly při přechodu z kladného na záporný. Na zařízení se tedy současně objeví zpětné napětí, které okamžitě vypne tyristor. Tento proces se nazývá přirozená komutace, protože tyristor je přirozeně vypnut bez použití jakýchkoli externích komponent nebo obvodu nebo napájení pro účely komutace.

Přirozenou komutaci lze pozorovat u regulátorů střídavého napětí, fázově řízených usměrňovačů a cyklokonvertorů.

Nucená komutace

Tyristor lze vypnout reverzním předpětím SCR nebo použitím aktivních nebo pasivních komponent. Tyristorový proud lze snížit na hodnotu pod hodnotu přidržovacího proudu. Vzhledem k tomu, že tyristor je vypnut násilně, je označován jako proces nucené komutace. The základní elektronika a elektrické součásti jako komutační prvky pro účely komutace se používají indukčnost a kapacita.

Nucenou komutaci lze pozorovat při použití stejnosměrného napájení, proto se také nazývá stejnosměrná komutace. Externí obvod používaný pro proces nucené komutace se nazývá komutační obvod a prvky použité v tomto obvodu se nazývají komutační prvky.

Klasifikace metod nucené komutace

Zde je diskutována klasifikace metod komutace tyristoru níže. Jeho klasifikace se provádí hlavně podle toho, zda je puls komutace proudový pulz napěťového pulzu, zda je zapojen sériově / paralelně přes SCR, který má být komutován, zda je signál vydáván pomocným nebo hlavním tyristorem, zda obvod komutace se nabíjí z pomocného nebo hlavního zdroje. Klasifikaci střídačů lze provést hlavně na základě polohy komutačních signálů. Vynucenou komutaci lze rozdělit do různých metod následovně:

• Třída A: Samočinně komutován rezonujícím zatížením
• Třída B: Samočinně komutováno LC obvodem
• Třída C: Cor L-C přepnuta jiným SCR nesoucím náklad
• Třída D: C nebo L-C přepínané pomocným SCR
• Třída E: Externí zdroj impulzů pro komutaci
• Třída F: komutace střídavého vedení

Třída A: Samočinně komutováno rezonujícím zatížením

Třída A je jednou z často používaných technik komutace tyristoru. Pokud je spuštěn nebo zapnut tyristor, bude proud anody proudit nabíjením kondenzátor C. s tečkou jako kladnou. Podtlumený obvod druhého řádu je tvořen induktor nebo střídavý odpor , kondenzátor a odpor. Pokud se proud hromadí přes SCR a dokončí poloviční cyklus, bude proud induktoru protékat SCR v opačném směru, což vypne tyristor.

Metoda komutace tyristoru třídy A

Po komutaci tyristoru nebo vypnutí tyristoru se kondenzátor začne exponenciálně vybíjet ze své špičkové hodnoty přes odpor. Tyristor bude ve stavu reverzního zkreslení, dokud se napětí kondenzátoru nevrátí na úroveň napájecího napětí.

Třída B: Samočinně komutováno obvodem L-C

Hlavní rozdíl mezi metodami komutace tyristorů třídy A a třídy B je v tom, že LC je zapojen do série s tyristorem ve třídě A, zatímco paralelně s tyristorem ve třídě B. Před spuštěním na SCR je kondenzátor nabitý (tečka označuje pozitivní). Pokud je SCR spuštěn nebo je mu dán spouštěcí impuls, pak má výsledný proud dvě složky.

Metoda komutace tyristoru třídy B

Konstantní proud zátěže protékající zátěží R-L je zajištěn velkou reaktancí zapojenou do série se zátěží, která je upnuta volnoběžnou diodou. Pokud sinusový proud protéká rezonančním obvodem L-C, pak je kondenzátor C nabitý tečkou jako záporný na konci poloviny cyklu.

Celkový proud protékající SCR se stává nulovým, přičemž reverzní proud protékající SCR je proti zátěžovému proudu malý zlomek negativního výkyvu. Pokud se proud rezonančního obvodu nebo reverzní proud zvýší jen o proud zátěže, SCR se vypne.

Třída C: C nebo L-C přepnuto jiným SCR nesoucím náklad

Ve výše uvedených metodách tyristorové komutace jsme pozorovali pouze jednu SCR, ale v těchto komutačních technikách tyristoru třídy C budou dvě SCR. Jeden SCR je považován za hlavní tyristor a druhý za pomocný tyristor. V této klasifikaci mohou oba fungovat jako hlavní SCR nesoucí zátěžový proud a mohou být navrženy se čtyřmi SCR se zátěží přes kondenzátor pomocí zdroje proudu pro napájení integrálního převodníku.

Metoda komutace tyristoru třídy C

Pokud je spuštěn tyristor T2, bude kondenzátor nabitý. Pokud je spuštěn tyristor T1, kondenzátor se vybije a tento vybíjecí proud C bude bránit toku zatěžovacího proudu v T2, když je kondenzátor přepínán přes T2 přes T1.

Třída D: L-C nebo C přepnuto pomocným SCR

Metody komutace tyristoru třídy C a třídy D lze odlišit zátěžovým proudem ve třídě D: pouze jeden ze SCR bude přenášet zátěžový proud, zatímco druhý funguje jako pomocný tyristor, zatímco ve třídě C budou oba SCR přenášet zátěžový proud. Pomocný tyristor se skládá z rezistoru v jeho anodě, který má odpor přibližně desetinásobek odporu zátěže.

Třída D Typ

Spuštěním Ta (pomocný tyristor) se kondenzátor nabije na napájecí napětí a pak se Ta vypne. Dodatečné napětí, pokud existuje, v důsledku značné indukčnosti ve vstupních vedeních bude vybito obvodem zátěže dioda-induktor.

Pokud je spuštěn Tm (hlavní tyristor), pak bude proud proudit dvěma cestami: komutační proud protéká cestou C-Tm-L-D a zatěžovací proud protéká zátěží. Pokud je náboj na kondenzátoru obrácen a udržován na této úrovni pomocí diody a pokud je Ta znovu spuštěna, pak se napětí na kondenzátoru objeví přes Tm přes Ta. Hlavní tyristor Tm bude tedy vypnut.

Třída E: Externí pulzní zdroj pro komutaci

U technik komutace tyristoru třídy E nemůže transformátor nasycovat (protože má dostatečnou železnou a vzduchovou mezeru) a je schopen přenášet zátěžový proud s malým poklesem napětí ve srovnání s napájecím napětím. Pokud je spuštěn tyristor T, bude proud protékat transformátorem zátěže a pulzu.

Třída E Typ

Externí generátor impulzů se používá ke generování kladného impulzu, který je dodáván na katodu tyristoru prostřednictvím pulzního transformátoru. Kondenzátor C je nabitý na přibližně 1 V a má se za to, že má nulovou impedanci po dobu trvání vypínacího impulzu. Napětí na tyristoru je obráceno pulsem z elektrický transformátor který dodává zpětný obnovovací proud a po požadovanou dobu vypnutí udržuje záporné napětí.

Třída F: Komutovaná linka střídavého proudu

V technice komutace tyristoru třídy F se pro napájení používá střídavé napětí a během kladného polovičního cyklu tohoto napájení bude protékat zátěžový proud. Pokud je zátěž vysoce indukční, pak proud zůstane, dokud se energie uložená v indukční zátěži nerozptýlí. Během záporného polovičního cyklu, když se zatěžovací proud stane nulovým, se tyristor vypne. Pokud napětí existuje po určitou dobu jmenovité doby vypnutí zařízení, negativní polarita napětí na výstupním tyristoru jej vypne.

Třída F Typ

Zde musí být doba půl cyklu větší než doba vypnutí tyristoru. Tento komutační proces je podobný konceptu třífázového převodníku. Uvažujme, že primárně T1 a T11 jsou vodivé se spouštěcím úhlem převodníku, který je rovný 60 stupňům a pracuje v režimu spojitého vedení s vysoce indukčním zatížením.

Pokud jsou spuštěny tyristory T2 a T22, pak proud proudící příchozími zařízeními okamžitě nezvýší na úroveň zátěžového proudu. Pokud proud procházející tyristory dosáhne úrovně zátěžového proudu, bude zahájen komutační proces odchozích tyristorů. Toto reverzní předpěťové napětí tyristoru by mělo pokračovat, dokud není dosaženo stavu blokování dopředu.

Metody komutace tyristoru selhaly

K poruše komutace tyristoru dochází hlavně proto, že jsou komutované a pokles napětí může vést k nedostatečnému komutaci napětí, takže způsobí poruchu, jakmile dojde k zapnutí následujícího tyristoru. K chybě komutace tedy dochází z několika důvodů, z nichž některé jsou popsány níže.
Tyristory poskytují poměrně pomalý čas zpětného zotavení, takže hlavní zpětný proud může dodávat v předávacím vedení. To může znamenat „poruchový proud“, který se cyklicky objevuje při souvisejícím ztrátě energie, který se objeví při selhání SCR.

V elektrickém obvodu je komutace v podstatě jednou, když proud teče z jedné větve obvodu do druhé. K chybě komutace dochází hlavně poté, co změna cesty selže z jakéhokoli důvodu.
U měniče nebo usměrňovacího obvodu, který využívá SCR, může dojít k poruše komutace ze dvou základních důvodů.

Pokud se tyristor nezapne, tok proudu se nepřepne a metoda komutace bude krátká. Podobně, pokud se tyristor vypne, pak může proud proudu částečně komutovat směrem k další větvi. To je tedy také považováno za selhání.

Rozdíl mezi technikami přirozené komutace a nucené komutace

Rozdíly mezi přirozenou komutací a nucenou komutací jsou popsány níže.

Tyristor lze jednoduše nazvat řízeným usměrňovačem. Existují různé typy tyristorů, které se používají pro návrh výkonové elektroniky inovativní elektrotechnické projekty . Proces zapnutí tyristoru poskytnutím spouštěcích impulzů do terminálu brány se nazývá spouštění. Podobně se proces vypnutí tyristoru nazývá komutace. Doufám, že tento článek poskytne stručné informace o různých komutačních technikách tyristoru. Další technická pomoc bude poskytnuta na základě vašich komentářů a dotazů v sekci komentáře níže.