Элемент управляемых выпрямителей – тиристор

Раздел 5 - Управляемые выпрямители

В источниках питания тиристор используется для регулирования (стабилизации) напряжения в управляемых выпрямителях и стабилизаторах напряжения в цепи переменного тока. Изменение фазы подачи управляющего импульса на тиристор по отношению к точке “естественной” коммутации (коммутация в неуправляемых выпрямителях) изменяет уровень напряжения на нагрузке. Кроме того, тиристор нашел широкое применение в защитных устройствах.

Тиристор имеет четырехслойную структуру с тремя p–n переходами. Его быстрое включение при подаче импульса управления (по отношению к катоду или аноду) обеспечивается внутренней, положительной обратной связью по току. При поступлении U_УПР на базу VT2 увеличивается коллекторный ток I_К2, что приводит к возрастанию тока базы транзистора VT1 и увеличению его коллекторного тока I_К1, происходит лавинное открывание тиристора.

На вольт- амперной характеристике тиристора (ВАХ) участок ОА соответствует открытым переходам П1 и П3 и закрытому переходу П2, к тиристору прикладывается прямое положительное напряжение U_ПР и отсутствует импульс управления на управляющем электроде (УЭ), что соответствует закрытому состоянию полупроводника. Участок БВ соответствует ВАХ полупроводникового диода, когда все p – n переходы открыты. Напряжение U_{пр max} соответствует динисторному режиму, когда открывание тиристора происходит при достижение граничного значения прямого напряжения (U_{пр max}) и токе управления равным нулю. Это позволяет управлять включением тиристора без использования системы управления. Участок ОГ ВАХ соответствует открытому переходу П2 и закрытым переходам П1 и П3. Для обеспечения гарантированного включения тиристора необходимо подобрать по мощности и длительности сигнал управления тиристором. Если значение прямого напряжения U_ПР мало, то необходимо увеличить управляющий ток I_У (смотри ВАХ тиристора).

Условием включения тиристора является подача положительного импульса управления на УЭ с определенной длительностью (с учетом времени включения тиристора) при положительном прямом напряжении между анодом (А) и катодом (К). Условием выключения тиристора является снижение прямого тока ниже уровня тока удержания (I_УД) - точка Б, который весьма мал. При выключении тиристора необходимо выдержать время, необходимое для гарантированного его выключения (время выключения тиристора достаточно большое и составляет несколько десятков мкс). Для выключения тиристора также достаточно приложить обратное напряжение или снизить ток в цепи анода до нуля.

На рисунке изображена ВАХ управляющего перехода тиристора:

Заштрихованная область ВАХ соответствует пределам допустимой мощности сигнала управления для обеспечения гарантированного отпирания тиристора. Нижние границы учитывают температуру полупроводникового элемента. В зависимости от длительности управляющего сигнала изменяется верхняя граница допустимой мощности сигнала (P_ДОП). Вторая ВАХ определяет границы максимальной температуры и минимального сопротивления управляющего p-n перехода, первая ВАХ определяет границы минимальной температуры и максимального сопротивления управляющего p- n перехода.

Существуют требования к динамическим параметрам тиристора: скорости изменения прямого тока тиристора di_пр/dt и скорости изменения прямого напряжения тиристора dU_пр/dt. Для ограничения скорости изменения тока последовательно с тиристором включают уравнительный реактор. Достаточно одного витка в дросселе, чтобы ограничить скорость нарастания тока, поэтому на проводник надевается ферритовое кольцо.

При увеличении скорости изменения прямого напряжения Uпр, может возникнуть самопроизвольное включение элемента.

Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения параллельно тиристору включается RVDC-цепь. Конденсатор ограничивает уровень всплесков напряжения, что исключает возникновение аварийного режима (перенапряжения), а диод обеспечивает быстрый разряд конденсатора при открывании тиристора.

На рисунке показана схема, формирующая управляющий сигнал для тиристора.

Трансформатор T обеспечивает гальваническую развязку силовой цепи и системы управления и повышает уровень напряжения управляющего сигнала, транзистор увеличивает мощность сигнала. При подаче управляющего импульса с системы управления на транзисторный ключ VT1 протекает ток по контуру: “+” U₁; первичная цепь трансформатора Т; коллектор- эмиттер VT1; “-“ U₁. В цепи намагничивания трансформатора T накапливается реактивная энергия, которая вызывает появления отрицательного выброса напряжения в форме импульса управления. Индуктивность рассеяния и емкостью коллекторного перехода VT1 приводят к появлению всплесков напряжения на “переднем фронте” импульса управления (переходный процесс). Во избежание “ложного” включения тиристора во вторичной цепи трансформатора установлены: выпрямительный диод VD1 и защитный диод VD2.

Симметричный управляемый выпрямитель (однофазный, двухтактный)

На рисунке показана принципиальная схема симметричного управляемого выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений.

На интервале времени [0; p] к тиристорам VS1 и VS4 приложено прямое положительное напряжение. В момент времени a1 на управляющий электрод этих тиристоров подается импульс управления. Тиристоры открываются и напряжение U2 передается в нагрузку. При работе на активную нагрузку в момент p (из-за снижения анодного тока ниже тока удержания) происходит запирание тиристоров VS1 и VS4. На интервале [p; p+a2] в нагрузке напряжение равно нулю, т.к. происходит задержка подачи управлющего импульса на угол a2.

При работе на индуктивную нагрузку (ключ S разомкнут) на интервале [p; p+a2] отрицательное напряжение U2 передается в нагрузку. Ток в цепи выпрямителя (I_L) имеет положительное значение и тиристоры VS1, VS4 остаются в открытом состоянии; тиристоры VS2, VS3 не открылись, т.к. на них не поступили управляющие импульсы. На этом интервале происходит рекуперация реактивной энергии дросселя в источник U₁. Этот режим называется инверторным режимом работы выпрямителя. Появление отрицательного “выброса” напряжения в составе выпрямленного напряжения снижает его уровень. Для исключения этого явления используют обратный диод, включенный параллельно нагрузке или переходят к несимметричной схеме выпрямления.