Waarom moderne omvormers transistors gebruiken, geen thyristors

Thyristoren behoren tot halfgeleiderinrichtingen met de p-n-p-n-structuur en behoren in feite tot een speciale klasse bipolaire transistoren, vier lagen, drie (of meer) overgangsapparaten met afwisselend geleidingsvermogen.

Met het thyristor-apparaat kan het als een diode werken, dat wil zeggen stroom in slechts één richting doorgeven.

En ook als een veldeffecttransistor, thyristor er is een stuurelektrode. Bovendien, als een diode, heeft de thyristor een bijzonderheid - zonder injectie van minderheid werkende ladingsdragers door de stuurelektrode zal het niet in een geleidende toestand gaan, dat wil zeggen het zal niet openen.

Een vereenvoudigd thyristormodel stelt ons in staat te begrijpen dat de stuurelektrode hier vergelijkbaar is met de basis van een bipolaire transistor, maar er is een beperking dat het mogelijk is om de thyristor te ontgrendelen met deze basis, maar deze kan niet worden vergrendeld.

Een thyristor, zoals een krachtige veldeffecttransistor, kan natuurlijk aanzienlijke stromen schakelen. En in tegenstelling tot veldeffecttransistors, kunnen thyristorgeschakelde vermogens worden gemeten in megawatt bij hoge bedrijfsspanningen. Maar thyristors hebben één ernstig nadeel - een aanzienlijke uitschakeltijd.

Om de thyristor te vergrendelen, is het noodzakelijk om de gelijkstroom gedurende een voldoende lange tijd te onderbreken of aanzienlijk te verminderen, gedurende welke niet-evenwicht hoofd werkende ladingsdragers, elektron-gat paren, tijd zouden hebben om te recombineren of op te lossen. Totdat de stroom wordt onderbroken, blijft de thyristor in een geleidende toestand, dat wil zeggen dat hij zich blijft gedragen als diode.

AC-sinusvormige stroomschakelcircuits bieden thyristors een geschikte bedrijfsmodus - een sinusvormige spanning voorspelt de overgang in de tegenovergestelde richting en de thyristor vergrendelt automatisch. Maar om de werking van het apparaat te handhaven, is het noodzakelijk om in elke halve cyclus een ontgrendelbesturingspuls op de besturingselektrode uit te oefenen.

In circuits met DC-vermogen nemen ze hun toevlucht tot extra hulpcircuits, waarvan de functie is om de anodestroom van de thyristor met geweld te verminderen en terug te brengen naar de vergrendelde toestand. En omdat ladingsdragers combineren wanneer ze zijn vergrendeld, is de schakelsnelheid van de thyristor veel lager dan die van een krachtige veldeffecttransistor.

Als we de tijd van volledige sluiting van de thyristor vergelijken met de tijd van volledige sluiting van de veldeffecttransistor, bereikt het verschil duizenden keren: een veldeffecttransistor heeft meerdere nanoseconden (10-100 ns) nodig om te sluiten, en de thyristor vereist verschillende microseconden (10-100 μs). Voel het verschil.

Natuurlijk zijn er toepassingsgebieden van thyristoren waar veldeffecttransistoren geen concurrentie met hen kunnen weerstaan. Voor thyristors zijn er praktisch geen beperkingen op het maximaal toelaatbare geschakelde vermogen - dit is hun voordeel.

Thyristors regelen megawatt vermogen in grote energiecentrales, in industriële lasmachines schakelen ze stromen van honderden ampères, en ze regelen ook traditioneel megawatt inductieovens in staalfabrieken. Hier zijn veldeffecttransistors op geen enkele manier van toepassing. In gepulseerde converters van gemiddeld vermogen winnen transistoren met veldeffect.

Een lange uitschakeling van de thyristor, zoals hierboven vermeld, wordt verklaard door het feit dat, wanneer ingeschakeld, het de collectorspanning moet verwijderen, en als een bipolaire transistor, de thyristor een eindige tijd nodig heeft om minderheidsdragers te recombineren of te verwijderen.

De problemen die thyristoren veroorzaken in verband met deze eigenaardigheid hangen voornamelijk samen met het onvermogen om met hoge snelheden te schakelen, zoals veldeffecttransistoren kunnen doen.En zelfs voordat de collectorspanning op de thyristor wordt aangelegd, moet de thyristor worden gesloten, anders zijn schakelverliezen onvermijdelijk, de halfgeleider zal oververhit raken.

Met andere woorden, de beperkende dU / dt beperkt de prestaties. Een plot van vermogensdissipatie als functie van stroom en inschakeltijd illustreert dit probleem. De hoge temperatuur in het thyristorkristal kan niet alleen een vals alarm veroorzaken, maar kan ook het schakelen verstoren.

In resonerende omvormers op thyristors wordt het vergrendelingsprobleem zelf opgelost, waarbij de golf van omgekeerde polariteit leidt tot vergrendeling van de thyristor, op voorwaarde dat de belichting vrij lang is.

Dit onthult het belangrijkste voordeel van veldeffecttransistors ten opzichte van thyristors. Veldeffecttransistors kunnen werken met frequenties van honderden kilohertz, en besturing is tegenwoordig geen probleem.

Thyristors werken betrouwbaar bij frequenties tot 40 kilohertz, dichter bij 20 kilohertz. Dit betekent dat als thyristors in moderne omvormers zouden worden gebruikt, apparaten met een voldoende hoog vermogen, bijvoorbeeld 5 kilowatt, erg omslachtig zouden zijn.

In deze zin maken transistors met veldeffecten omvormers compacter vanwege de kleinere afmetingen en het gewicht van de kernen van vermogenstransformatoren en smoorspoelen.

Hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de benodigde transformatoren en smoorspoelen om hetzelfde vermogen om te zetten, het is bekend bij iedereen die bekend is met het circuit van moderne pulsomzetters.

Natuurlijk zijn thyristors in sommige toepassingen bijvoorbeeld erg handig dimmers om de helderheid van het licht aan te passenwerkend met een netwerkfrequentie van 50 Hz, is het in elk geval voordeliger om op thyristoren te produceren, ze zijn goedkoper dan wanneer veldeffecttransistoren daar zouden worden gebruikt.

En in lasinvertershet is bijvoorbeeld voordeliger om veldeffecttransistors te gebruiken, juist vanwege het gemak van schakelbesturing en de hoge snelheid van dit schakelen. Trouwens, bij het overschakelen van een thyristor naar een transistorcircuit, ondanks de hoge kosten van dit laatste, zijn onnodige dure componenten uitgesloten van de apparaten.