Спосіб вимкнення тиристора, що незапирається.
Власники патенту UA 2461913:
Винахід відноситься до галузі електроніки. Сутність винаходу: у способі вимикання незапираемого тиристора, тиристор вимикається шляхом підключення додаткового джерела живлення, що забезпечує протікання вихідного прямого струму, при цьому виключення відбувається не за рахунок зміни струму провідності, а за рахунок спрямованого протилежно струму провідності струму зсуву, що виникає при прямому зміщенні амплітуді напругою колекторного переходу тиристора Технічний результат - зниження втрат енергії при вимиканні тиристора та зменшення часу його вимкнення. 5 іл.
Пропонований винахід відноситься до галузі електроніки і може бути використане, зокрема, сильноточної інверторної техніки, силовому обладнанні, потужних аналогових ключах.
Відомі способи вимикання незапираемого тиристора, такі як відключення анодного струму або шунтування тиристора (Довідник з проектування автоматизованого електроприводу та систем управління технологічними процесами / За ред. видавництво, переробний і додатковий М.: Енерговидав, 1982. 416 с., іл., - с.), а також комутація анодного струму шляхом зміни полярності напруги живлення (Воронін П.А. Силові напівпровідникові ключі: сімейства, характеристики , застосування М.: Видавничий дім «Додека-XXI», 2001. 384 с., - С.290).
Способи мають суттєві недоліки, пов'язані з великими енергетичними втратами та великим часом виключення тиристора.
Відомий також найбільш близький до запропонованого винаходу спосіб виключення тиристора, що незапирається, комутацією анодного струму при одночасному впливі негативного керуючого напруги (Герлах В. Тиристори: Пер. з ньому. М.:Вища школа, 1985. 328 с., іл., - с.240).
Цей спосіб також має суттєві недоліки, пов'язані з великими енергетичними втратами та великим часом виключення тиристора.
Технічним завданням пропонованого винаходу є суттєве зниження енергетичних втрат та часу вимикання тиристора.
Технічний результат у пропонованому винаході досягається в способі вимикання тиристора, що полягає в тому, що тиристор вимикається шляхом підключення додаткового джерела живлення за рахунок струму зміщення, протилежного за напрямом струму провідності при прямому зміщенні напругою, що убуває по амплітуді, колекторного переходу.
Сутність запропонованого винаходу полягає в наступному.
У відкритому стані при великих струмах навантаження характеристика тиристора має приблизно ті самі властивості, що і p-i-n-діода з товщиною бази w, при цьому J1 - емітерний перехід ЕП1, J2 - колекторний перехід КП, J3 - емітерний перехід ЕП2, ne, pe - перший і другий емітери, nb, pb - перша та друга бази (фіг.1). Схема заміщення у разі може бути представлена як сукупність двох біполярних транзисторів: одного - типу p-n-p, іншого - типу n-p-n, і ємності C2 переходу J2 (фіг.2). При цьому ємність C2 у загальному випадку складається з двох компонентів (фіг.3) - бар'єрної ємності Cб, що виявляє свої основні властивості при зворотному зміщенні переходу J2, і дифузійної ємності Сдиф, пов'язаної з процесами накопичення та розсмоктування нерівноважного заряду в області переходу J2 і характеризує інерційність руху нерівноважних зарядів:
Властивості дифузійної ємності виявляються при прямому зміщенні переходу J2, при якому її значення може досягати тисячі пікофарад через залежність від прямого струму. Ємність C2 завждишунтована опором колекторного переходу R і містить контактні опори, враховані Rдоб.
У загальному випадку при прямому зміщенні в області просторового заряду переходу J2 протікають не тільки конвекційні струми α1IA і α2IK (де IA - ток анода, IK - ток катода), утворені зустрічним рухом дірок і електронів, а й струм зміщення, викликаний впливом ємності C2 ( фіг.4):
де IV(t) - Струм зміщення;
UA - анодна напруга тиристора.
Струм зміщення враховує перезаряд ємності C2 замикаючого шару переходу J2, при цьому ємнісний струм через замикаючі ємності переходів J1 і J3 досить малий, і їх можна знехтувати. Отже, струм усунення при протіканні через переходи J1 та J3 є струмом інжекції. Звідси випливає, що вираз для анодного струму тиристора (за умови нехтування явищем множення носіїв заряду в замикаючому шарі переходу J2) має вигляд:
де ICO[U2(t)] - залежність повного струму зворотнозміщеного колекторного переходу від прямого падіння напруги на переході J2;
IG(t) - струм керуючого електрода;
α1, α2 - малосигнальні коефіцієнти передачі струму у схемі із загальною базою.
З аналізу виразу (2) з урахуванням (1) випливає, що при наростаючій анодній напрузі вплив струму зміщення IV(t) може бути таким сильним, що тиристор може відкритися навіть при нульовому струмі управління, а при спадній анодній напрузі можливе надійне вимкнення тиристора струмом IV(t) усунення. Для цього у загальному випадку необхідне виконання умови:
де Iуд – струм утримання.
При цьому величина втрат при виключенні зменшується за рахунок того, що прямий опір тиристора у відкритому стані менший, ніж його зворотний опір.
Одна із схем реалізації запропонованого способунаведена на фіг.5 і складається з незапираемого тиристора 1, катодний ланцюг якого включена навантаження 2, при цьому паралельно тиристору 1 підключена послідовна ланцюжок, що містить конденсатор 3, напівпровідниковий діод 4 і нормально відкритий ключ 5, після замикання якого заряджений напруги конденсатор 3 підключається паралельно тиристору 1, при цьому позитивно заряджена обкладка підключається до анода тиристора, а негативно заряджена - до катода, чим досягається пряме зміщення переходу J2 тиристора 1, при цьому ланцюг, що містить конденсатор 3 і резистор 3 .
В результаті на переході J3 тиристора 1 з'являється спадна анодна напруга, що викликає появу направленого протилежно струму провідності струму зміщення за рахунок впливу дифузійної компоненти Cдиф ємності C2 переходу J2. При цьому відбувається вимикання тиристора, якщо виконується умова (3), а діод 4 служить для виключення участі ємності 3 в перехідному процесі, що виникає при подачі напруги живлення на схему.
Час вимикання тиристора визначається часом розсмоктування накопиченого заряду у переході J2. Комутація анодного струму при одночасному впливі негативного керуючого напруги забезпечує найменший час вимикання серед відомих способів. Це досягається примусовим виведенням дірок із переходу J2. У пропонованому способі примусово виводяться не тільки дірки, але і електрони, тобто час вимкнення визначається часом перезаряду ємності C2 і порівняно з часом включення тиристора, що менше вимкнення тиристора при використанні будь-якого з відомих способів.
При експериментальній перевірці способу, реалізація якого наведена на фіг.5, були використані:тиристор 1 типу ТЧ40 навантаження 2 у вигляді лампи розжарювання Б220-230 500 Вт; конденсатор 3 типу МБМ 0,25 мкФ; діод 5 типу КД202Ж; резистор 6 типу МЛТ1 39 ком. Напруга живлення Uпіт = 220 В.
Проведені експериментальні дослідження повністю підтвердили працездатність запропонованого способу виключення тиристора, що незапирається.
Спосіб вимикання незапираемого тиристора, що полягає в тому, що тиристор вимикається шляхом підключення додаткового джерела живлення, який відрізняється тим, що вимкнення тиристора здійснюється струмом зсуву, протилежним у напрямку струму провідності, при прямому зміщенні напругою колекторного переходу, що зменшується по амплітуді.