Tirisztoros kommutációs módszerek a teljesítményelektronikában

A legtöbb átalakító berendezés és kapcsolóüzemű tápegységek használata teljesítményelektronika olyan alkatrészek, mint tirisztorok, MOSFET és más teljesítményű félvezető eszközök nagyfrekvenciás kapcsolási műveletekhez nagy teljesítményű névleges teljesítmény mellett. Tekintsük a tirisztorokat, amelyeket nagyon gyakran bistabil kapcsolóként használunk több alkalmazásban. Ezek a tirisztorok a be- és kikapcsoláshoz szükséges kapcsolókat használják. A tirisztorok bekapcsolásához van néhány tirisztor, amely bekapcsolja a tirisztor-indító módszereket. Hasonlóképpen, a tirisztorok kikapcsolásához léteznek olyan módszerek, amelyeket tirisztorok kommutációs módszereinek vagy technikáinak hívnak. A tirisztoros kommutációs technikák megvitatása előtt tudnunk kell valamit a tirisztor alapjairól, mint például a tirisztor, a tirisztor működése, a különböző típusú tirisztorok és a tirisztor bekapcsolási módszerei.

Mi az a tirisztor?

Két vagy négy vezető félvezető eszközt, amelyek négy réteg váltakozó N és P típusú anyagból állnak, tirisztoroknak nevezzük. Ezeket általában kétstabil kapcsolóként használják, amelyek csak akkor működnek, amikor a tirisztor kapu kivezetése kioldódik. A tirisztort szilícium-vezérelt egyenirányítónak vagy SCR-nek is nevezik.

Tirisztor

Mi az SCR kommutációja?

A kommutáció nem más, mint egy SCR kikapcsolási módszere. Ez az egyik módszer, amellyel SCR vagy tirisztor ON állapotból OFF állapotba kerül. Tudjuk, hogy egy SCR aktiválható egy kapujel használatával egy SCR felé, amikor az előreirányítási torzításban van. De az SCR-nek ki kell kapcsolnia, ha az energiaellátás szabályozásához szükséges.

Az SCR kommutációs áramköre

Amikor egy SCR továbbítási vezetési módban mozog, akkor kapu terminálja elveszíti az irányítását. Ehhez néhány további áramkört kell használni a tirisztor / SCR kikapcsolásához. Tehát ezt a kiegészítő áramkört kommutációs áramkörnek nevezzük.

Tehát ezt a kifejezést főleg az áram egyik ane-ről a másikra történő átvitelére használják. A kommutációs áramkör főleg nullára csökkenti az előremenő áramot, hogy kikapcsolja a tirisztort. Tehát a következő feltételeknek meg kell felelniük a tirisztor kikapcsolásához, miután az vezet.

• A tirisztor vagy az SCR előremenő áramát nullára kell csökkenteni, különben a tartóáram alatt.
• Bővített fordított feszültséget kell biztosítani az SCR / tirisztoron az előre blokkoló állapot helyreállításához.

Miután az SCR-t kikapcsolták az előremenő áram nullára csökkentésével, akkor több rétegben vannak többlet töltéshordozók. A tirisztor előre blokkoló állapotának helyreállításához ezeket a többlet töltéshordozókat újra kell kombinálni. Tehát ez a rekombinációs módszer felgyorsulhat, ha fordított feszültséget alkalmazunk a tirisztoron.

Tirisztoros kommutációs módszerek

Amint azt fentebb tanulmányoztuk, a tirisztor bekapcsolható egy kis feszültségű, rövid időtartamú kapu kivezetésével. De a bekapcsolás után folyamatosan folytatja, amíg a tirisztor fordított előfeszítésig nem megy, vagy a terhelési áram nullára nem csökken. Ez a tirisztorok folyamatos vezetése problémákat okoz egyes alkalmazásokban. A tirisztor kikapcsolására használt eljárást kommutációnak nevezzük. A kommutációs folyamat révén a tirisztor üzemmódja előre vezető üzemmódról előre blokkoló üzemmódra változik. Tehát a tirisztoros kommutációs módszereket vagy a tirisztoros kommutációs technikákat használják a kikapcsoláshoz.

A tirisztorok kommutációs technikái két típusba sorolhatók:

• Természetes kommutáció
• Kényszerített kommutáció

Természetes kommutáció

Általában, ha figyelembe vesszük a váltakozó áramú tápellátást, akkor az áram a nulla keresztezési vonalon halad át, miközben pozitív csúcsról negatív csúcsra halad. Így egyszerre fordított feszültség jelenik meg az eszközön, amely azonnal kikapcsolja a tirisztort. Ezt a folyamatot természetes kommutációnak hívják, mivel a tirisztort természetes módon kikapcsolják, anélkül, hogy kommutációs célokra bármilyen külső alkatrészt, áramkört vagy tápegységet használnának.

Természetes kommutáció figyelhető meg a váltakozó áramú feszültségszabályozókban, a fázisvezérelt egyenirányítókban és a ciklo konverterekben.

Kényszerített kommutáció

A tirisztor kikapcsolható az SCR fordított előfeszítésével vagy aktív vagy passzív alkatrészek alkalmazásával. A tirisztor áramát a tartóáram értéke alá csökkenthetjük. Mivel a tirisztort erőszakkal kikapcsolják, kényszerített kommutációs folyamatnak nevezik. A alapvető elektronika és elektromos alkatrészek mint például az induktivitást és a kapacitást kommutációs elemként használják kommutációs célokra.

A kényszerített kommutáció megfigyelhető a DC táp használata közben, ezért DC kommutációnak is nevezik. A kényszerű kommutációs folyamathoz használt külső áramkört kommutációs áramkörnek, az ebben az áramkörben használt elemeket pedig kommutációs elemeknek nevezzük.

A kényszerű kommutációs módszerek osztályozása

Itt a tirisztoros kommutációs módszerek osztályozását az alábbiakban tárgyaljuk. Osztályozását főleg attól függően végzik, hogy a kommutációs impulzus egy feszültségimpulzus aktuális impulzusa, sorosan / párhuzamosan van-e kapcsolva a kommutálandó SCR-en keresztül, a jelet kiegészítő vagy fő tirisztoron keresztül adják-e, a kommutációs áramkört kiegészítő vagy fő forrásból töltik fel. Az inverterek osztályozása főként a kommutációs jelek helye alapján történhet. Az erőltetett kommutáció különböző módszerekre osztható az alábbiak szerint:

• A. osztály: rezonáló terheléssel kommutált
• B. osztály: LC-áramkör által kommutált
• C osztály: Cor L-C kapcsolja egy másik teherhordó SCR
• D osztály: C vagy L-C, kiegészítő SCR kapcsolásával
• E osztály: Külső impulzusforrás kommutációhoz
• F osztály: váltóáramú vonal kommutáció

A osztály: rezonáló terheléssel önkommutált

Az A osztály az egyik gyakran használt tirisztoros kommutációs technika. Ha a tirisztort beindítják vagy bekapcsolják, akkor az anódáram töltéssel áramlik kondenzátor C pozitív ponttal. A másodrendű alul csillapított áramkört a induktivitás vagy AC ellenállás , kondenzátor és ellenállás. Ha az áram felépül az SCR-en keresztül, és befejezi a félciklust, akkor az induktoráram az SCR-en keresztül fordított irányban áramlik, amely kikapcsolja a tirisztort.

A osztályú tirisztoros kommutációs módszer

A tirisztor kommutálása vagy a tirisztor kikapcsolása után a kondenzátor exponenciális módon elkezdi kisülni a csúcsértékéből az ellenálláson keresztül. A tirisztor fordított előfeszített állapotban lesz, amíg a kondenzátor feszültsége nem tér vissza a tápfeszültség szintjére.

B. osztály: L-C áramkör által önkommutált

A fő különbség az A és B osztályú tirisztoros kommutációs módszerek között az, hogy az LC sorba van kötve az A osztályú tirisztorral, míg a B osztályú tirisztorral párhuzamosan. Mielőtt az SCR-t aktiválná, a kondenzátort feltöltik (a pont jelzi pozitív). Ha az SCR-t kiváltják vagy kiváltó impulzust kapnak, akkor a keletkező áramnak két összetevője van.

B osztályú tirisztoros kommutációs módszer

Az R-L terhelésen átáramló állandó terhelési áramot a szabadonfutó diódával rögzített terheléssel sorba kapcsolt nagy reaktancia biztosítja. Ha a szinuszos áram áramlik át a rezonáns L-C áramkörön, akkor a C kondenzátort negatív pontként töltjük fel a félciklus végén.

Az SCR-n átáramló teljes áram nulla lesz, az SCR-n átfolyó fordított áram pedig a terhelés áramával szemben áll a negatív lengés kis hányadánál. Ha a rezonáns áramkör vagy a fordított áram éppen nagyobb lesz, mint a terhelési áram, akkor az SCR kikapcsol.

C osztály: C vagy L-C kapcsolva egy másik teherhordó SCR-rel

A fenti tirisztoros kommutációs módszerekben csak egy SCR-t figyeltünk meg, de a tirisztor ezen C osztályú kommutációs technikáiban két SCR lesz. Az egyik SCR tekinthető fő tirisztornak, a másik pedig kiegészítő tirisztornak. Ebben a besorolásban mindkettő teheráramot hordozó fő SCR-ként működhet, és négy SCR-rel tervezhetők, amelyek terhelése a kondenzátoron keresztül történik, áramforrás felhasználásával az integrált átalakító ellátására.

C osztályú tirisztoros kommutációs módszer

Ha a T2 tirisztor kioldódik, akkor a kondenzátor feltöltődik. Ha a T1 tirisztort kioldják, akkor a kondenzátor lemerül, és ez a C kisülési áram szembeszáll a T2 terhelési áram áramlásával, mivel a kondenzátor a T1-en keresztül T2-re kapcsol.

D osztály: L-C vagy C kiegészítő SCR-rel kapcsolva

A C és D osztályú tirisztoros kommutációs módszerek megkülönböztethetők a D osztályú terhelési árammal: az SCR közül csak az egyik viszi a terhelés áramát, míg a másik kiegészítő tirisztorként működik, míg a C osztályban mindkét SCR terhelő áramot hordoz. A kiegészítő tirisztor anódjában egy ellenállásból áll, amelynek ellenállása körülbelül tízszerese a terhelési ellenállásnak.

D osztályú típus

A Ta (segédtirisztor) beindításával a kondenzátort feltölti a tápfeszültségig, majd a Ta kikapcsol. Az esetleges extra feszültség a bemeneti vezetékek jelentős induktivitása miatt a dióda-induktor-terhelés áramkörön keresztül ürül.

Ha a Tm (fő tirisztor) kioldódik, akkor az áram két úton fog áramlani: a kommutációs áram a C-Tm-L-D úton halad, a terhelés pedig a terhelésen keresztül. Ha a kondenzátor töltését megfordítjuk és ezen a szinten tartjuk a dióda segítségével, és ha Ta újra beindul, akkor a kondenzátoron átmenő feszültség a Ta-on keresztül jelenik meg a Tm-en. Így a Tm fő tirisztor kikapcsol.

E osztály: Külső impulzusforrás a kommutációhoz

Az E osztályú tirisztoros kommutációs technikák esetében a transzformátor nem tud telítődni (mivel elegendő vas- és légréssel rendelkezik), és képes ellátni a terhelési áramot a tápfeszültséghez képest kis feszültségeséssel. Ha a T tirisztort kioldják, akkor az áram átfolyik a terhelés és az impulzus transzformátoron.

E osztály Típus

Külső impulzusgenerátort használnak olyan pozitív impulzus létrehozására, amelyet impulzus transzformátoron keresztül juttatnak a tirisztor katódjához. A C kondenzátort kb. 1 V-ra töltik fel, és úgy gondolják, hogy a kikapcsolási impulzus időtartama alatt ez az impedancia nulla. A tirisztoron átmenő feszültséget megfordítja az impulzus elektromos transzformátor amely a fordított helyreállítási áramot szolgáltatja, és a szükséges kikapcsolási időtartamig tartja a negatív feszültséget.

F osztály: váltóáramú vezeték

Az F osztályú tirisztoros kommutációs technikákban váltakozó feszültséget használnak az ellátáshoz, és ennek a tápellátásnak a pozitív félciklusa alatt a terhelés áram fog áramlani. Ha a terhelés erősen induktív, akkor az áram addig marad, amíg az induktív terhelésben tárolt energia el nem oszlik. A negatív félciklus alatt, amikor a terhelési áram nulla lesz, a tirisztor kikapcsol. Ha a készülék névleges kikapcsolási idejéig fennáll a feszültség, akkor a kimenő tirisztoron a feszültség negatív polaritása kikapcsol.

F osztály Típus

Itt a félciklus időtartamának nagyobbnak kell lennie, mint a tirisztor kikapcsolási ideje. Ez a kommutációs folyamat hasonló a háromfázisú átalakító koncepciójához. Vegyük figyelembe, hogy elsősorban a T1 és a T11 a konverter kioldási szögével vezet, amely 60 fokos és folyamatos vezetési módban működik, nagy induktív terhelés mellett.

Ha a T2 és T22 tirisztorok működésbe lépnek, akkor a bejövő eszközökön keresztüli áram azonnal nem emelkedik a terhelési áram szintjére. Ha a bejövő tirisztorokon átáramló áram eléri a terhelési áramszintet, akkor elindul a kimenő tirisztorok kommutációs folyamata. A tirisztor ezen fordított előfeszítő feszültségét addig kell folytatni, amíg el nem éri az előre blokkoló állapotot.

Tirisztoros kommutációs módszerek meghibásodása

A tirisztor kommutációs meghibásodása főleg azért következik be, mert a vezetéken kommutáltak, és a feszültségesés nem megfelelő feszültséget eredményezhet a kommutáláshoz, ezért hibát okoz, ha a következő tirisztor felgyullad. Tehát a kommutációs hiba több ok miatt következik be, amelyek közül néhányat az alábbiakban tárgyalunk.
A tirisztorok meglehetősen lassú fordított helyreállítási időt biztosítanak, így a fő fordított áram szállíthat továbbvezetésben. Ez jelezheti a „hibaáramot”, amely ciklikus módon jelenik meg azáltal, hogy a kapcsolódó áramelvezetés az SCR meghibásodásakor jelenik meg.

Egy elektromos áramkörben a kommutáció alapvetően az, amikor az áram áramlik az áramkör egyik ágáról a másikra. A kommutációs hiba főleg akkor fordul elő, ha az útvonal megváltoztatása bármilyen okból meghiúsul.
SCR-eket használó inverter vagy egyenirányító áramkör esetében két alapvető ok miatt kommutációs hiba léphet fel.

Ha a tirisztor nem kapcsol be, akkor az áram áramlása nem változik, és a kommutációs módszer nem megfelelő. Hasonlóképpen, ha egy tirisztor rövid ideig nem kapcsol ki, akkor az áram áramlása részben kommutálhat a következő elágazás felé. Tehát ez is kudarcnak számít.

Különbség a természetes kommutáció és a kényszerű kommutációs technikák között

A természetes kommutáció és a kényszerű kommutáció közötti különbségeket az alábbiakban tárgyaljuk.

A tirisztort egyszerűen nevezhetjük vezérelt egyenirányítónak. Különböző típusú tirisztorok léteznek, amelyeket erőteljes elektronikai alapú tervezésre használnak innovatív elektromos projektek . A tirisztor bekapcsolásának folyamatát úgy, hogy kiváltó impulzusokat juttatunk a kapu termináljára, kiváltónak nevezzük. Hasonlóképpen, a tirisztor kikapcsolásának folyamatát kommutációnak nevezzük. Remélem, hogy ez a cikk rövid információt nyújt a tirisztor különféle kommutációs technikáiról. További technikai segítséget nyújtunk az alábbi megjegyzések részben található észrevételei és kérdései alapján.