Pourquoi les onduleurs modernes utilisent des transistors, pas des thyristors

Les thyristors appartiennent à des dispositifs semi-conducteurs de la structure p-n-p-n et appartiennent en fait à une classe spéciale transistors bipolaires, quatre couches, trois (ou plus) dispositifs de transition à conductivité alternée.

Le thyristor lui permet de fonctionner comme une diode, c'est-à-dire de faire passer le courant dans une seule direction.

Et aussi comme un transistor à effet de champ, thyristor il y a une électrode de commande. De plus, en tant que diode, le thyristor a une particularité - sans injection de porteurs de charge de travail minoritaires à travers l'électrode de commande, il ne passera pas dans un état conducteur, c'est-à-dire qu'il ne s'ouvrira pas.

Un modèle de thyristor simplifié nous permet de comprendre que l'électrode de commande est ici similaire à la base d'un transistor bipolaire, cependant, il y a une limitation qu'il est possible de déverrouiller le thyristor en utilisant cette base, mais elle ne peut pas être verrouillée.

Un thyristor, comme un puissant transistor à effet de champ, peut bien sûr commuter des courants importants. Et contrairement aux transistors à effet de champ, les puissances commutées par thyristors peuvent être mesurées en mégawatts à des tensions de fonctionnement élevées. Mais les thyristors ont un sérieux inconvénient - un temps d'arrêt important.

Afin de verrouiller le thyristor, il est nécessaire d'interrompre ou de réduire considérablement son courant continu pendant une durée suffisamment longue, pendant laquelle les porteurs de charge de travail principaux hors équilibre, les paires électron-trou, auraient le temps de se recombiner ou de se résoudre. Jusqu'à ce que le courant soit interrompu, le thyristor restera dans un état conducteur, c'est-à-dire qu'il continuera à se comporter comme diode.

Les circuits de commutation de courant sinusoïdal AC fournissent aux thyristors un mode de fonctionnement approprié - une tension sinusoïdale polarise la transition dans la direction opposée et le thyristor se verrouille automatiquement. Mais pour maintenir le fonctionnement du dispositif, il est nécessaire d'appliquer une impulsion de commande de déverrouillage à l'électrode de commande à chaque demi-cycle.

Dans les circuits à courant continu, ils ont recours à des circuits auxiliaires supplémentaires dont la fonction est de réduire de force le courant anodique du thyristor et de le remettre à l'état verrouillé. Et puisque les porteurs de charge se recombinent lorsqu'ils sont verrouillés, la vitesse de commutation des thyristors est bien inférieure à celle d'un transistor à effet de champ puissant.

Si nous comparons le temps de fermeture complète du thyristor avec le temps de fermeture complète du transistor à effet de champ, la différence atteint des milliers de fois: un transistor à effet de champ a besoin de plusieurs nanosecondes (10-100 ns) pour se fermer, et un thyristor nécessite plusieurs microsecondes (10-100 μs). Ressentez la différence.

Bien entendu, il existe des domaines d'application des thyristors où les transistors à effet de champ ne résistent pas à leur concurrence. Pour les thyristors, il n'y a pratiquement aucune restriction sur la puissance commutée maximale autorisée - c'est leur avantage.

Les thyristors contrôlent les mégawatts de puissance dans les grandes centrales électriques, dans les machines de soudage industrielles, ils commutent des courants de centaines d'ampères, et ils contrôlent également traditionnellement les fours à induction de mégawatts dans les aciéries. Ici, les transistors à effet de champ ne s'appliquent en aucune façon. Dans les convertisseurs pulsés de puissance moyenne, les transistors à effet de champ gagnent.

Un long arrêt du thyristor, comme mentionné ci-dessus, s'explique par le fait que lorsqu'il est allumé, il nécessite de supprimer la tension du collecteur et, comme un transistor bipolaire, le thyristor prend un temps fini pour recombiner ou supprimer des porteurs minoritaires.

Les problèmes qui provoquent les thyristors en relation avec cette particularité sont principalement liés à l'incapacité de commuter à des vitesses élevées, comme peuvent le faire les transistors à effet de champ.Et même avant que la tension du collecteur ne soit appliquée au thyristor, le thyristor doit être fermé, sinon les pertes de puissance de commutation sont inévitables, le semi-conducteur surchauffera.

En d'autres termes, la limitation dU / dt limite les performances. Un graphique de la dissipation de puissance en fonction du courant et de l'heure illustre ce problème. La température élevée à l'intérieur du cristal du thyristor peut non seulement provoquer une fausse alarme, mais également interférer avec la commutation.

Dans les onduleurs résonants sur les thyristors, le problème de verrouillage est résolu par lui-même, où la surtension de polarité inverse conduit au verrouillage du thyristor, à condition que l'exposition soit assez longue.

Cela révèle le principal avantage des transistors à effet de champ sur les thyristors. Les transistors à effet de champ sont capables de fonctionner à des fréquences de centaines de kilohertz, et le contrôle n'est plus un problème aujourd'hui.

Les thyristors fonctionneront de manière fiable à des fréquences allant jusqu'à 40 kilohertz, plus proches de 20 kilohertz. Cela signifie que si des thyristors étaient utilisés dans des onduleurs modernes, des appareils d'une puissance suffisamment élevée, disons 5 kilowatts, seraient très encombrants.

En ce sens, les transistors à effet de champ rendent les onduleurs plus compacts en raison de la taille et du poids plus petits des noyaux des transformateurs de puissance et des selfs.

Plus la fréquence est élevée, plus la taille requise des transformateurs et des selfs pour convertir la même puissance est connue de tous ceux qui connaissent les circuits des convertisseurs d'impulsions modernes.

Bien sûr, dans certaines applications, les thyristors sont très utiles, par exemple gradateurs pour régler la luminosité de la lumièrefonctionnant à une fréquence de réseau de 50 Hz, en tout cas, il est plus rentable de les fabriquer sur thyristors, ils sont moins chers que si des transistors à effet de champ y étaient utilisés.

Et dans onduleurs de soudagePar exemple, il est plus rentable d'utiliser des transistors à effet de champ, précisément en raison de la facilité de commande de commutation et de la vitesse élevée de cette commutation. Soit dit en passant, lors du passage d'un thyristor à un circuit à transistors, malgré le coût élevé de ce dernier, des composants coûteux inutiles sont exclus des dispositifs.