Dlaczego nowoczesne falowniki wykorzystują tranzystory, a nie tyrystory

Tyrystory należą do urządzeń półprzewodnikowych o strukturze p-n-p-n i faktycznie należą do specjalnej klasy tranzystory bipolarne, czterowarstwowe, trzy (lub więcej) urządzenia przejściowe o zmiennym przewodnictwie.

Urządzenie tyrystorowe pozwala mu działać jak dioda, to znaczy przepuszczać prąd tylko w jednym kierunku.

A także jak tranzystor polowy, tyrystor jest elektroda kontrolna. Co więcej, jako dioda tyrystor ma osobliwość - bez wstrzyknięcia mniejszościowych nośników ładunku roboczego przez elektrodę kontrolną nie przejdzie w stan przewodzenia, to znaczy nie otworzy się.

Uproszczony model tyrystora pozwala nam zrozumieć, że elektroda sterująca tutaj jest podobna do podstawy tranzystora bipolarnego, jednak istnieje ograniczenie, że można odblokować tyrystor za pomocą tej podstawy, ale nie można go zablokować.

Tyrystor, podobnie jak potężny tranzystor polowy, może oczywiście przełączać znaczne prądy. I w przeciwieństwie do tranzystorów polowych, moce tyrystorowe można mierzyć w megawatach przy wysokich napięciach roboczych. Ale tyrystory mają jedną poważną wadę - znaczny czas wyłączenia.

Aby zablokować tyrystor, konieczne jest przerwanie lub znaczne zmniejszenie prądu stałego na wystarczająco długi czas, podczas którego nośniki głównego ładunku roboczego o nierównowagach, pary elektron-dziura, miałyby czas na rekombinację lub rozdzielenie. Dopóki prąd nie zostanie przerwany, tyrystor pozostanie w stanie przewodzącym, to znaczy będzie nadal zachowywał się jak dioda.

Obwody przełączające prądu sinusoidalnego prądu przemiennego zapewniają tyrystorom odpowiedni tryb pracy - napięcie sinusoidalne powoduje przesunięcie przejścia w przeciwnym kierunku, a tyrystor automatycznie się blokuje. Aby jednak utrzymać działanie urządzenia, konieczne jest przykładanie impulsu odblokowującego do elektrody sterującej w każdym półcyklu.

W obwodach zasilanych prądem stałym uciekają się do dodatkowych obwodów pomocniczych, których funkcją jest wymuszone zmniejszenie prądu anodowego tyrystora i przywrócenie go do stanu zablokowanego. A ponieważ nośniki ładunków rekombinują po zablokowaniu, szybkość przełączania tyrystora jest znacznie niższa niż w przypadku silnego tranzystora polowego.

Jeśli porównamy czas całkowitego zamknięcia tyrystora z czasem całkowitego zamknięcia tranzystora polowego, różnica osiągnie tysiące razy: tranzystor polowy potrzebuje kilku nanosekund (10-100 ns) do zamknięcia, a tyrystor wymaga kilku mikrosekund (10-100 μs). Poczuj różnicę.

Oczywiście istnieją obszary zastosowania tyrystorów, w których tranzystory polowe nie są w stanie z nimi konkurować. W przypadku tyrystorów praktycznie nie ma ograniczeń dotyczących maksymalnej dopuszczalnej mocy przełączanej - to ich zaleta.

Tyrystory kontrolują megawaty mocy w dużych elektrowniach, w spawarkach przemysłowych przełączają prądy o wartości setek amperów, a także tradycyjnie sterują megawatowymi piecami indukcyjnymi w stalowniach. Tutaj tranzystory polowe nie mają zastosowania w żaden sposób. W impulsowych przetwornicach średniej mocy wygrywają tranzystory polowe.

Długie wyłączenie tyrystora, jak wspomniano powyżej, tłumaczy się tym, że po włączeniu wymaga usunięcia napięcia kolektora i podobnie jak bipolarny tranzystor, tyrystor zajmuje skończony czas na rekombinację lub usunięcie mniejszościowych nośników.

Problemy, które powodują tyrystory w związku z tą osobliwością, są związane przede wszystkim z niemożnością przełączania przy dużych prędkościach, tak jak mogą to zrobić tranzystory polowe.I nawet zanim napięcie kolektora zostanie przyłożone do tyrystora, tyrystor musi zostać zamknięty, w przeciwnym razie straty mocy przełączania są nieuniknione, półprzewodnik przegrzeje się.

Innymi słowy, ograniczenie dU / dt ogranicza wydajność. Wykres rozproszenia mocy w funkcji prądu i czasu włączenia ilustruje ten problem. Wysoka temperatura wewnątrz kryształu tyrystora może nie tylko wywołać fałszywy alarm, ale także zakłócić przełączanie.

W falownikach rezonansowych na tyrystorach problem blokowania rozwiązuje się sam, w którym gwałtowny wzrost biegunowości prowadzi do zablokowania tyrystora, pod warunkiem, że ekspozycja jest dość długa.

Ujawnia to główną przewagę tranzystorów polowych nad tyrystorami. Tranzystory polowe są w stanie pracować na częstotliwościach setek kiloherców, a kontrola dzisiaj nie stanowi problemu.

Tyrystory będą działać niezawodnie na częstotliwościach do 40 kiloherców, bliższych 20 kilohercom. Oznacza to, że gdyby tyrystory były stosowane w nowoczesnych falownikach, wówczas urządzenia o wystarczająco wysokiej mocy, powiedzmy 5 kilowatów, byłyby bardzo uciążliwe.

W tym sensie tranzystory polowe sprawiają, że falowniki są bardziej kompaktowe ze względu na mniejszy rozmiar i wagę rdzeni transformatorów mocy i dławików.

Im wyższa częstotliwość, tym mniejszy rozmiar wymaga transformatorów i dławików do przetworzenia tej samej mocy, jest znany każdemu, kto zna układy nowoczesnych przetworników impulsowych.

Oczywiście w niektórych zastosowaniach tyrystory są bardzo przydatne, na przykład ściemniacze do regulacji jasności światłapracując przy częstotliwości sieciowej 50 Hz, w każdym razie bardziej opłacalne jest wytwarzanie na tyrystorach, są one tańsze niż w przypadku zastosowania tranzystorów polowych.

I w falowniki spawalniczena przykład bardziej opłacalne jest stosowanie tranzystorów polowych, właśnie ze względu na łatwość sterowania przełączaniem i wysoką prędkość tego przełączania. Nawiasem mówiąc, przy przełączaniu z tyrystora na obwód tranzystorowy, pomimo wysokich kosztów tego ostatniego, niepotrzebne drogie elementy są wykluczane z urządzeń.