Hauptfunktionsprinzip des Thyristors. Thyristoren. Gerät, Funktionsprinzip, Strom-Spannungs-Kennlinien. Allgemeine Parameter von Thyristoren

Das Aufkommen vierschichtiger pnpn-Halbleiterelemente brachte einen echten Durchbruch in der Leistungselektronik. Solche Geräte werden „Thyristoren“ genannt. Siliziumgesteuerte Gates sind die häufigste Familie von Thyristoren.

Diese Art von Halbleiterbauelementen hat die folgende Struktur:

Wie wir dem Blockschaltbild entnehmen können, verfügt der Thyristor über drei Anschlüsse – eine Kathode, eine Steuerelektrode und eine Anode. Anode und Kathode sind an die Stromkreise angeschlossen, und die Steuerelektrode ist an das Steuersystem (Schwachstromnetze) zum kontrollierten Öffnen des Thyristors angeschlossen.

Auf Schaltplänen hat der Thyristor folgende Bezeichnung:

Die Strom-Spannungs-Kennlinie ist unten dargestellt:

Schauen wir uns diese Eigenschaft genauer an.

Umgekehrter charakteristischer Zweig

Im dritten Quadranten sind die Eigenschaften von Dioden und Thyristoren gleich. Wenn an die Anode relativ zur Kathode ein negatives Potenzial angelegt wird, wird an J 1 und J 3 eine Sperrspannung und an J 2 eine Gleichspannung angelegt, wodurch ein Rückstrom fließt (dieser ist sehr klein). , normalerweise mehrere Milliampere). Wenn diese Spannung auf die sogenannte Durchbruchspannung ansteigt, kommt es zu einem Lawinenanstieg des Stroms zwischen J 1 und J 3. Wenn dieser Strom in diesem Fall nicht begrenzt wird, kommt es zu einem Durchschlag der Verbindung und anschließendem Ausfall des Thyristors. Bei Sperrspannungen, die die Durchbruchspannung nicht überschreiten, verhält sich der Thyristor wie ein hochohmiger Widerstand.

Zone mit geringer Leitfähigkeit

In dieser Zone ist das Gegenteil der Fall. Das Kathodenpotential ist im Vergleich zum Anodenpotential negativ. Daher wird an J 1 und J 3 eine Gleichspannung und an J 2 eine Gegenspannung angelegt. Das Ergebnis ist ein sehr kleiner Anodenstrom.

Zone mit hoher Leitfähigkeit

Erreicht die Spannung im Anoden-Kathoden-Bereich einen Wert, die sogenannte Schaltspannung, kommt es zu einem Lawinendurchbruch des J2-Übergangs und der Thyristor geht in einen Zustand hoher Leitfähigkeit über. In diesem Fall sinkt U a von mehreren Hundert auf 1 - 2 Volt. Dies hängt vom Typ des Thyristors ab. In einer Zone mit hoher Leitfähigkeit hängt der durch die Anode fließende Strom von der Belastung des externen Elements ab, sodass es in dieser Zone als geschlossener Schalter betrachtet werden kann.

Wenn Sie Strom durch die Steuerelektrode leiten, verringert sich die Einschaltspannung des Thyristors. Sie hängt direkt vom Strom der Steuerelektrode ab und ist, wenn ihr Wert groß genug ist, praktisch gleich Null. Bei der Auswahl eines Thyristors für den Betrieb in einem Stromkreis wird dieser so ausgewählt, dass die Sperr- und Durchlassspannungen die Nennwerte der Durchbruch- und Schaltspannungen nicht überschreiten. Wenn diese Bedingungen schwer zu erfüllen sind oder die Parameter der Elemente stark streuen (z. B. wird ein Thyristor mit 6300 V benötigt und seine nächsten Werte liegen bei 1200 V), ist manchmal das Einschalten der Elemente erforderlich gebraucht.

Zum richtigen Zeitpunkt können Sie den Thyristor durch Anlegen eines Impulses an die Steuerelektrode vom geschlossenen Zustand in die Zone hoher Leitfähigkeit überführen. Der UE-Strom muss in der Regel höher sein als der minimale Öffnungsstrom und beträgt etwa 20-200 mA.

Wenn der Anodenstrom einen bestimmten Wert erreicht, bei dem ein Abschalten des Thyristors (Schaltstrom) nicht mehr möglich ist, kann der Steuerimpuls entfernt werden. Jetzt kann der Thyristor nur noch in den ausgeschalteten Zustand zurückkehren, indem der Strom unter den Haltestrom reduziert wird oder indem eine Spannung mit umgekehrter Polarität an ihn angelegt wird.

Video des Betriebs und Diagramme transienter Prozesse

Rückwärtssperrmodus

Reis. 3. Thyristor-Rückwärtssperrmodus

Zwei Hauptfaktoren begrenzen das Regime des Reverse-Breakdowns und des Forward-Breakdowns:

1. Punktion des erschöpften Bereichs.

Im Rückwärtssperrmodus wird an die Anode des Geräts eine Spannung angelegt, die gegenüber der Kathode negativ ist; Die Anschlüsse J1 und J3 sind in Sperrrichtung vorgespannt, und der Anschluss J2 ist in Durchlassrichtung vorgespannt (siehe Abb. 3). In diesem Fall fällt der größte Teil der angelegten Spannung an einem der Übergänge J1 oder J3 ab (je nach Dotierungsgrad der verschiedenen Bereiche). Dies sei der Übergang J1. Abhängig von der Dicke W n1 der n1-Schicht wird der Durchbruch durch Lawinenvervielfachung (die Dicke des Verarmungsbereichs während des Durchbruchs ist kleiner als W n1) oder Durchschlag (die Verarmungsschicht breitet sich über den gesamten n1-Bereich und die Übergänge J1 aus) verursacht und J2 sind geschlossen).

Direktverriegelungsmodus

Bei direkter Sperrung ist die Spannung an der Anode positiv gegenüber der Kathode und nur der Anschluss J2 ist in Sperrichtung vorgespannt. Die Anschlüsse J1 und J3 sind vorwärtsgerichtet. Der größte Teil der angelegten Spannung fällt an der Verbindungsstelle J2 ab. Über die Übergänge J1 und J3 werden Minoritätsträger in die an den Übergang J2 angrenzenden Bereiche injiziert, wodurch der Widerstand des Übergangs J2 verringert, der Strom durch ihn erhöht und der Spannungsabfall über ihm verringert wird. Mit zunehmender Durchlassspannung steigt der Strom durch den Thyristor zunächst langsam an, was dem 0-1-Abschnitt der Strom-Spannungs-Kennlinie entspricht. In diesem Modus kann der Thyristor als gesperrt betrachtet werden, da der Widerstand der Verbindungsstelle J2 immer noch sehr hoch ist. Wenn die Spannung am Thyristor zunimmt, nimmt der Anteil der Spannung an J2 ab und die Spannungen an J1 und J3 steigen schneller an, was dazu führt, dass der Strom durch den Thyristor weiter ansteigt und die Injektion von Minoritätsladungsträgern in den Bereich von J2 zunimmt. Bei einem bestimmten Spannungswert (in der Größenordnung von mehreren zehn oder hundert Volt) spricht man von Schaltspannung V BF(Punkt 1 zur Strom-Spannungs-Kennlinie) erhält der Vorgang einen lawinenartigen Charakter, der Thyristor geht in einen Zustand mit hoher Leitfähigkeit über (schaltet ein) und in ihm baut sich ein Strom auf, der durch die Quellenspannung und den Widerstand bestimmt wird des externen Stromkreises.

Zwei-Transistor-Modell

Um die Eigenschaften des Geräts im Direktsperrmodus zu erklären, wird ein Zwei-Transistor-Modell verwendet. Ein Thyristor kann als Verbindung eines pnp-Transistors mit einem npn-Transistor betrachtet werden, wobei der Kollektor beider mit der Basis des anderen verbunden ist, wie in Abb. 4 für Triodenthyristor. Der zentrale Übergang fungiert als Kollektor für Löcher, die durch Übergang J1 injiziert werden, und Elektronen, die durch Übergang J3 injiziert werden. Zusammenhang zwischen Emitterströmen Ich E, Sammler Ich C und Basen Ich B und die statische Stromverstärkung α 1 p-n-p-Transistor ist ebenfalls in Abb. dargestellt. 4, wobei I Co der umgekehrte Sättigungsstrom der Kollektor-Basis-Verbindung ist.

Reis. 4. Zwei-Transistor-Modell eines Trioden-Thyristors, Anschluss der Transistoren und Stromverhältnis in einem pnp-Transistor.

Ähnliche Beziehungen können für einen NPN-Transistor erhalten werden, wenn die Richtung der Ströme umgekehrt wird. Aus Abb. Aus 4 folgt, dass der Kollektorstrom des n-p-n-Transistors gleichzeitig der Basisstrom des p-n-p-Transistors ist. Ebenso der Kollektorstrom des pnp-Transistors und der Steuerstrom ich G fließen in die Basis des NPN-Transistors. Wenn daher die Gesamtverstärkung im geschlossenen Regelkreis 1 übersteigt, wird ein regenerativer Prozess möglich.

Der Basisstrom des pnp-Transistors beträgt Ich B1= (1 - α 1) Ich A - Ich Co1. Dieser Strom fließt auch durch den Kollektor des NPN-Transistors. Der Kollektorstrom eines NPN-Transistors mit Verstärkung α 2 ist gleich Ich C2= α 2 ICH K + ICo2.

Gleichsetzen Ich B1 Und Ich C2, wir erhalten (1 - α 1) Ich A - Ich Co1= α 2 ICH K + ICo2. Als ICH K = Ich A + ich G, Das

Reis. 5. Energiebanddiagramm im Vorwärtsvorspannungsmodus: Gleichgewichtszustand, Vorwärtsblockierungsmodus und Vorwärtsleitungsmodus.

Diese Gleichung beschreibt die statischen Eigenschaften des Gerätes im Spannungsbereich bis zum Durchschlag. Nach dem Durchschlag arbeitet das Gerät als Pin-Diode. Beachten Sie, dass alle Terme im Zähler der rechten Seite der Gleichung klein sind, daher gilt der Term α 1 + α 2< 1, ток Ich A klein (Die Koeffizienten α1 und α2 selbst hängen davon ab Ich A und wachsen normalerweise mit zunehmendem Strom) Wenn α1 + α2 = 1, dann geht der Nenner des Bruchs auf Null und es kommt zu einem direkten Durchschlag (oder der Thyristor wird eingeschaltet). Es ist zu beachten, dass, wenn die Polarität der Spannung zwischen Anode und Kathode umgekehrt wird, die Anschlüsse J1 und J3 in Sperrrichtung und J2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Unter solchen Bedingungen kommt es nicht zu einem Durchschlag, da nur der zentrale Übergang als Emitter fungiert und der Regenerationsprozess unmöglich wird.

Die Breite der Verarmungsschichten und Energiebanddiagramme im Gleichgewicht, im direkten Blockierungs- und im direkten Leitungsmodus sind in Abb. dargestellt. 5. Im Gleichgewicht werden der Verarmungsbereich jedes Übergangs und das Kontaktpotential durch das Verunreinigungsverteilungsprofil bestimmt. Wenn eine positive Spannung an die Anode angelegt wird, neigt der Verbindungspunkt J2 dazu, in Sperrrichtung vorgespannt zu sein, während die Verbindungsstellen J1 und J3 dazu neigen, in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu sein. Der Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode ist gleich der algebraischen Summe der Spannungsabfälle an den Übergängen: V AK = V 1 + V 2 + V 3. Wenn die Spannung steigt, steigt der Strom durch das Gerät und daher erhöhen sich α1 und α2. Aufgrund der regenerativen Natur dieser Prozesse geht das Gerät schließlich in einen offenen Zustand über. Sobald der Thyristor eingeschaltet ist, muss der durch ihn fließende Strom durch den externen Lastwiderstand begrenzt werden, andernfalls fällt der Thyristor aus, wenn die Spannung hoch genug ist. Im eingeschalteten Zustand ist der Verbindungspunkt J2 in Durchlassrichtung vorgespannt (Abb. 5, c) und der Spannungsabfall V AK = (V 1 - | V 2| + V 3) ist ungefähr gleich der Summe der Spannung an einem in Durchlassrichtung vorgespannten Übergang und der Spannung am gesättigten Transistor.

Direktleitungsmodus

Wenn der Thyristor eingeschaltet ist, sind alle drei Anschlüsse in Durchlassrichtung vorgespannt. Löcher werden aus der Region p1 injiziert, und Elektronen werden aus der Region n2 injiziert, und die n1-p2-n2-Struktur verhält sich ähnlich wie ein gesättigter Transistor, bei dem der Diodenkontakt zur Region n1 entfernt ist. Daher ähnelt das Gerät als Ganzes einer p-i-n (p + -i-n +)-Diode ...

Klassifizierung von Thyristoren

• Diodenthyristor (zusätzlicher Name „Dinistor“) – ein Thyristor mit zwei Anschlüssen
  • Diodenthyristor, nicht rückwärtsleitend
  • Diodenthyristor, in entgegengesetzter Richtung leitend
  • Diodensymmetrischer Thyristor (Zusatzbezeichnung „Diac“)
• Triodenthyristor (zusätzlicher Name „Thyristor“) – ein Thyristor mit drei Anschlüssen
  • Triodenthyristor, nicht in die Gegenrichtung leitend (Zusatzbezeichnung „Thyristor“)
  • Trioden-Thyristor, in Gegenrichtung leitend (Zusatzbezeichnung „Thyristor-Diode“)
  • triodischer symmetrischer Thyristor (zusätzlicher Name „Triac“, informeller Name „Triac“)
  • Triode-Thyristor asymmetrisch
  • schaltbarer Thyristor (Zusatzbezeichnung „Triodenschaltthyristor“)

Der Unterschied zwischen einem Dinistor und einem Trinistor

Es gibt keine grundsätzlichen Unterschiede zwischen einem Dinistor und einem Trinistor. Wenn jedoch die Öffnung eines Dinistors erfolgt, wenn eine bestimmte Spannung zwischen den Anoden- und Kathodenanschlüssen erreicht wird, abhängig vom Typ eines bestimmten Dinistors, dann in einem Trinistor die Öffnungsspannung kann durch Anlegen eines Stromimpulses einer bestimmten Dauer und Größe an seine Steuerelektrode bei positiver Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode gezielt reduziert werden, und das Trinistor-Design unterscheidet sich nur durch das Vorhandensein einer Steuerelektrode. SCRs sind die häufigsten Geräte aus der „Thyristor“-Familie.

Der Unterschied zwischen einem Triodenthyristor und einem Abschaltthyristor

Das Umschalten in den geschlossenen Zustand herkömmlicher Thyristoren erfolgt entweder durch Reduzierung des Stroms durch den Thyristor auf den Wert Ich h oder durch Ändern der Spannungspolarität zwischen Kathode und Anode.

Schaltbare Thyristoren können im Gegensatz zu herkömmlichen Thyristoren unter dem Einfluss des Steuerelektrodenstroms von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand und umgekehrt übergehen. Um einen Abschaltthyristor zu schließen, muss ein Strom mit entgegengesetzter Polarität durch die Steuerelektrode geleitet werden als die Polarität, die das Öffnen verursacht hat.

Triac

Ein Triac (symmetrischer Thyristor) ist ein Halbleiterbauelement und ähnelt in seinem Aufbau der Rücken-an-Rücken-Schaltung zweier Thyristoren. Kann elektrischen Strom in beide Richtungen leiten.

Eigenschaften von Thyristoren

Moderne Thyristoren werden für Ströme von 1 mA bis 10 kA hergestellt; für Spannungen von mehreren V bis mehreren kV; die Anstiegsgeschwindigkeit des Vorwärtsstroms in ihnen erreicht 10 9 A/s, die Spannung beträgt 10 9 V/s, die Einschaltzeit reicht von mehreren Zehnteln bis zu mehreren zehn Mikrosekunden, die Ausschaltzeit reicht von mehreren Einheiten bis zu mehreren hundert Mikrosekunden; Der Wirkungsgrad erreicht 99 %.

Anwendung

• Gesteuerte Gleichrichter
• Konverter (Wechselrichter)
• Leistungsregler (Dimmer)

siehe auch

• CDI (Kondensatorentladungszündung)

Anmerkungen

Literatur

• GOST 15133-77.
• Kublanowski. Ya. S. Thyristorgeräte. - 2. Aufl., überarbeitet. und zusätzlich - M.: Radio and Communications, 1987. - 112 S.: Abb. - (Mass Radio Library. Ausgabe 1104).

Links

• Thyristoren: Funktionsprinzip, Bauformen, Typen und Einschaltmethoden
• Ansteuerung von Thyristoren und Triacs über einen Mikrocontroller oder eine digitale Schaltung
• Umrichtergeräte in Stromversorgungssystemen
• Rogatschew K.D. Moderne leistungsgeschaltete Thyristoren.
• Inländische Analoga importierter Thyristoren
• Verzeichnisse zu Thyristoren und Analoga, Austausch von Thyristoren, Austausch von Dioden. Zener-Dioden

Passiver Festkörper	Widerstand Variabler Widerstand Trimmerwiderstand Varistor Kondensator Variabler Kondensator Trimmerkondensator Induktivität Quarzresonator· Sicherung · Selbstrückstellende Sicherung Transformator
Aktiver Festkörper	Diode· LED · Fotodiode · Halbleiterlaser · Schottky Diode· Zenerdiode · Stabilisator · Varicap · Varicond · Diodenbrücke · Lawinendiode · Tunneldiode · Gunn-Diode Transistor · Bipolartransistor · Feldeffekttransistor · CMOS-Transistor ·

In Diagrammen und technischen Dokumentationen werden häufig verschiedene Begriffe und Symbole verwendet, deren Bedeutung jedoch nicht allen unerfahrenen Elektrikern bekannt ist. Wir schlagen vor, zu diskutieren, was Leistungsthyristoren zum Schweißen sind, welche Funktionsprinzipien sie haben, welche Eigenschaften sie haben und welche Geräte sie kennzeichnen.

Was ist ein Thyristor und seine Typen?

Viele haben Thyristoren in der Girlande „Laufendes Feuer“ gesehen; dies ist das einfachste Beispiel für das beschriebene Gerät und seine Funktionsweise. Ein Siliziumgleichrichter oder Thyristor ist einem Transistor sehr ähnlich. Hierbei handelt es sich um ein mehrschichtiges Halbleiterbauelement, dessen Hauptmaterial Silizium ist, meist in einem Kunststoffgehäuse. Aufgrund der Tatsache, dass ihr Funktionsprinzip dem einer Gleichrichterdiode (AC-Gleichrichtergeräte oder Dinistoren) sehr ähnlich ist, ist die Bezeichnung in den Diagrammen oft dieselbe – dies wird als Analogon eines Gleichrichters betrachtet.

Foto – Diagramm einer laufenden Feuergirlande

Es gibt:

• ABB Abschaltthyristoren (GTO),
• Standard SEMIKRON,
• leistungsstarke Lawine vom Typ TL-171,
• Optokoppler (z. B. TO 142-12,5-600 oder MTOTO 80-Modul),
• symmetrisch TS-106-10,
• Niederfrequenz-MTTs,
• Triac BTA 16-600B oder VT für Waschmaschinen,
• Frequenz TBC,
• ausländisches TPS 08,
• TYN 208.

Aber gleichzeitig werden Transistoren vom Typ IGBT oder IGCT für Hochspannungsgeräte (Öfen, Werkzeugmaschinen und andere industrielle Automatisierung) verwendet.

Foto – Thyristor

Aber im Gegensatz zu einer Diode, bei der es sich um einen Zweischichttransistor (PN) (PNP, NPN) handelt, besteht ein Thyristor aus vier Schichten (PNPN) und dieses Halbleiterbauelement enthält drei pn-Übergänge. In diesem Fall verlieren Diodengleichrichter an Effizienz. Dies wird durch die Thyristor-Steuerschaltung sowie durch jedes Nachschlagewerk für Elektriker deutlich (in der Bibliothek können Sie beispielsweise kostenlos ein Buch des Autors Samjatin lesen).

Ein Thyristor ist ein unidirektionaler Wechselstromwandler, das heißt, er leitet Strom nur in eine Richtung, aber im Gegensatz zu einer Diode kann das Gerät als Leerlaufschalter oder als Gleichstromgleichrichterdiode betrieben werden. Mit anderen Worten: Halbleiterthyristoren können nur im Schaltmodus betrieben werden und können nicht als Verstärkergeräte verwendet werden. Der Schlüssel am Thyristor ist nicht in der Lage, sich selbstständig in die Schließstellung zu bewegen.

Der siliziumgesteuerte Gleichrichter ist neben Triacs, AC-Dioden und Unijunction-Transistoren eines von mehreren Leistungshalbleiterbauelementen, die sehr schnell von einem Modus in den anderen wechseln können. Ein solcher Thyristor wird als Hochgeschwindigkeitsthyristor bezeichnet. Dabei spielt natürlich die Klasse des Gerätes eine große Rolle.

Anwendung von Thyristor

Der Zweck von Thyristoren kann sehr unterschiedlich sein, beispielsweise sind ein selbstgebauter Schweißinverter mit Thyristoren, ein Ladegerät für ein Auto (Thyristor im Netzteil) und sogar ein Generator sehr beliebt. Aufgrund der Tatsache, dass das Gerät selbst sowohl niederfrequente als auch hochfrequente Lasten durchlassen kann, kann es auch als Transformator für Schweißmaschinen verwendet werden (deren Brücke verwendet genau diese Teile). Um den Betrieb des Teils zu steuern, ist in diesem Fall ein Spannungsregler am Thyristor erforderlich.

Foto – Verwendung eines Thyristors anstelle von LATR

Vergessen Sie nicht den Zündthyristor für Motorräder.

Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise

Der Thyristor besteht aus drei Teilen: „Anode“, „Kathode“ und „Eingang“, bestehend aus drei pn-Übergängen, die mit sehr hoher Geschwindigkeit zwischen „EIN“- und „AUS“-Positionen wechseln können. Gleichzeitig kann er aber auch unterschiedlich lange, also über mehrere Halbzyklen, aus der Stellung „ON“ geschaltet werden, um eine bestimmte Energiemenge an den Verbraucher abzugeben. Die Funktionsweise eines Thyristors lässt sich besser erklären, indem man annimmt, dass er aus zwei miteinander verbundenen Transistoren besteht, wie ein Paar komplementärer regenerativer Schalter.

Die einfachsten Mikroschaltungen zeigen zwei Transistoren, die so kombiniert sind, dass der Kollektorstrom nach dem „Start“-Befehl in den NPN-Transistor TR 2 fließt und direkt in den PNP-Transistor TR 1 fließt. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Strom von TR 1 fließt in die Kanäle in die Basen von TR 2. Diese beiden miteinander verbundenen Transistoren sind so angeordnet, dass der Basis-Emitter Strom vom Kollektor-Emitter des anderen Transistors erhält. Dies erfordert eine parallele Platzierung.

Foto – Thyristor KU221IM

Trotz aller Sicherheitsmaßnahmen kann es vorkommen, dass sich der Thyristor unbeabsichtigt von einer Position in eine andere bewegt. Dies geschieht aufgrund eines starken Stromsprungs, Temperaturänderungen und anderen verschiedenen Faktoren. Bevor Sie einen Thyristor KU202N, T122 25, T 160, T 10 10 kaufen, müssen Sie ihn daher nicht nur mit einem Tester (Ring) überprüfen, sondern sich auch mit den Betriebsparametern vertraut machen.

Typische Strom-Spannungs-Kennlinien eines Thyristors

Um mit der Diskussion dieses komplexen Themas zu beginnen, schauen Sie sich das Diagramm der Strom-Spannungs-Kennlinien eines Thyristors an:

Foto - Eigenschaften der Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors

1. Das Segment zwischen 0 und (Vо,IL) entspricht vollständig der direkten Verriegelung des Geräts;
2. Im Vvo-Bereich befindet sich der Thyristor in der „ON“-Position;
3. Der Abschnitt zwischen den Zonen (Vvo, IL) und (Vn,In) ist die Übergangsposition im eingeschalteten Zustand des Thyristors. In diesem Bereich tritt der sogenannte Dinistor-Effekt auf;
4. Die Punkte (Vн,In) wiederum zeigen in der Grafik die direkte Öffnung des Geräts an;
5. Die Punkte 0 und Vbr sind der Abschnitt, in dem der Thyristor ausgeschaltet ist;
6. Darauf folgt das Segment Vbr – es zeigt den Reverse-Breakdown-Modus an.

Natürlich können moderne Hochfrequenz-Funkkomponenten in einem Stromkreis die Strom-Spannungs-Kennlinien unwesentlich beeinflussen (Kühler, Widerstände, Relais). Auch symmetrische Photothyristoren, SMD-Zenerdioden, Optothyristoren, Trioden, Optokoppler, optoelektronische und andere Module können unterschiedliche Strom-Spannungs-Kennlinien aufweisen.

Foto - Strom-Spannungs-Kennlinie eines Thyristors

Darüber hinaus weisen wir Sie darauf hin, dass in diesem Fall der Geräteschutz am Lasteingang erfolgt.

Thyristorprüfung

Bevor Sie ein Gerät kaufen, müssen Sie wissen, wie man einen Thyristor mit einem Multimeter testet. Das Messgerät kann nur an einen sogenannten Tester angeschlossen werden. Das Diagramm, nach dem ein solches Gerät zusammengebaut werden kann, ist unten dargestellt:

Foto – Thyristor-Tester

Laut Beschreibung ist es notwendig, an der Anode eine positive Spannung und an der Kathode eine negative Spannung anzulegen. Es ist sehr wichtig, einen Wert zu verwenden, der der Auflösung des Thyristors entspricht. Die Zeichnung zeigt Widerstände mit einer Nennspannung von 9 bis 12 Volt, was bedeutet, dass die Spannung des Testers etwas höher ist als die des Thyristors. Nachdem Sie das Gerät zusammengebaut haben, können Sie mit der Überprüfung des Gleichrichters beginnen. Zum Einschalten müssen Sie die Taste drücken, die Impulssignale sendet.

Der Test des Thyristors ist sehr einfach: Ein Knopf sendet kurzzeitig ein Öffnungssignal (positiv gegenüber der Kathode) an die Steuerelektrode. Wenn danach die Lauflichter am Thyristor aufleuchten, gilt das Gerät als funktionsunfähig, leistungsstarke Geräte reagieren jedoch nicht immer sofort nach Eintreffen der Last.

Foto - Testerschaltung für Thyristoren

Zusätzlich zur Überprüfung des Geräts empfiehlt es sich auch, spezielle Controller oder ein Steuergerät für Thyristoren und Triacs von OWEN BOOST oder andere Marken zu verwenden; es funktioniert ungefähr genauso wie ein Leistungsregler an einem Thyristor. Der Hauptunterschied besteht in einem größeren Spannungsbereich.

Video: Funktionsprinzip eines Thyristors

Technische Eigenschaften

Betrachten wir die technischen Parameter des Thyristors der KU 202e-Serie. In dieser Serie werden Haushaltsgeräte mit geringem Stromverbrauch vorgestellt, deren Hauptanwendung auf Haushaltsgeräte beschränkt ist: Sie dienen zum Betrieb von Elektroöfen, Heizgeräten usw.

Die folgende Zeichnung zeigt die Pinbelegung und die Hauptteile des Thyristors.

Foto – ku 202

1. Stellen Sie die Sperrspannung im eingeschalteten Zustand (max.) auf 100 V ein
2. Ruhespannung 100 V
3. Impuls in geöffneter Position – 30 A
4. Wiederholter Impuls in Offenstellung 10 A
5. Mittelspannung<=1,5 В
6. Nicht entriegelnde Spannung >=0,2 V
7. Strom in Offenstellung einstellen<=4 мА
8. Rückstrom<=4 мА
9. Konstanter Entriegelungsstrom<=200 мА
10. Konstante Spannung einstellen<=7 В
11. Pünktlich<=10 мкс
12. Abschaltzeit<=100 мкс

Das Gerät schaltet sich innerhalb von Mikrosekunden ein. Wenn Sie das beschriebene Gerät austauschen müssen, wenden Sie sich an einen Verkaufsberater in einem Elektrofachgeschäft – er kann anhand der Abbildung ein Analogon auswählen.

Foto – Thyristor Ku202n

Der Preis eines Thyristors hängt von seiner Marke und seinen Eigenschaften ab. Wir empfehlen den Kauf von Haushaltsgeräten – diese sind langlebiger und erschwinglicher. Auf spontanen Märkten können Sie einen hochwertigen, leistungsstarken Konverter für bis zu hundert Rubel kaufen.

Die Entwicklung von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik begann im Jahr 1953, als es möglich wurde, hochreines Silizium zu gewinnen und großformatige Siliziumscheiben zu formen. Im Jahr 1955 wurde erstmals ein halbleitergesteuertes Bauelement mit einer Vierschichtstruktur entwickelt, das als „Thyristor“ bezeichnet wurde.

Das Einschalten erfolgte durch Anlegen eines Impulses an die Steuerelektrode bei einer positiven Spannung zwischen Anode und Kathode. Das Abschalten des Thyristors wird durch die Reduzierung des durch ihn fließenden Gleichstroms auf Null sichergestellt, wofür viele Schaltungen induktiv-kapazitiver Schaltkreise entwickelt wurden. Sie erhöhen nicht nur die Kosten des Konverters, sondern verschlechtern auch dessen Gewicht und Abmessungen und verringern die Zuverlässigkeit.

Daher begannen gleichzeitig mit der Entwicklung des Thyristors Forschungen, die darauf abzielten, dessen Abschaltung über die Steuerelektrode sicherzustellen. Das Hauptproblem bestand darin, eine schnelle Resorption der Ladungsträger in den Sockelbereichen sicherzustellen.

Die ersten Thyristoren dieser Art erschienen 1960 in den USA. Sie wurden Gate Turn Off (GTO) genannt. In unserem Land sind sie besser bekannt als abschließbare oder schaltbare Thyristoren.

Mitte der 90er Jahre wurde ein Abschaltthyristor mit Ringanschluss für die Steuerelektrode entwickelt. Er wurde Gate Commutated Thyristor (GCT) genannt und war eine Weiterentwicklung der GTO-Technologie.

Thyristoren GTO

Gerät

Ein Abschaltthyristor ist ein vollständig steuerbares Halbleiterbauelement, das auf einem klassischen Vierschichtaufbau basiert. Das Ein- und Ausschalten erfolgt durch Anlegen positiver und negativer Stromimpulse an die Steuerelektrode. In Abb. In Abb. 1 zeigt das Symbol (a) und das Blockschaltbild (b) des ausgeschalteten Thyristors. Er verfügt wie ein herkömmlicher Thyristor über eine Kathode K, eine Anode A und eine Steuerelektrode G. Die Unterschiede im Aufbau der Bauelemente liegen in einer unterschiedlichen Anordnung horizontaler und vertikaler Schichten mit n- und p-Leitfähigkeit.

Die Gestaltung der Kathodenschicht n hat die größte Veränderung erfahren. Es ist in mehrere hundert Elementarzellen unterteilt, die gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Diese Konstruktion ist auf den Wunsch zurückzuführen, im ausgeschalteten Zustand des Geräts eine gleichmäßige Stromreduzierung über die gesamte Fläche der Halbleiterstruktur sicherzustellen.

Die Basisschicht p weist trotz der Tatsache, dass sie als einzelne Einheit hergestellt ist, eine große Anzahl von Steuerelektrodenkontakten (ungefähr gleich der Anzahl der Kathodenzellen) auf, die ebenfalls gleichmäßig über die Fläche verteilt und parallel geschaltet sind. Die Basisschicht n ist ähnlich der entsprechenden Schicht eines herkömmlichen Thyristors aufgebaut.

Die Anodenschicht p verfügt über Nebenschlüsse (Zonen n), die die n-Basis über kleine verteilte Widerstände mit dem Anodenkontakt verbinden. Anodenshunts werden in Thyristoren verwendet, die nicht über die Fähigkeit zur Rückwärtssperrung verfügen. Sie sollen die Abschaltzeit des Geräts verkürzen, indem sie die Bedingungen für die Ladungsentnahme aus dem Basisbereich n verbessern.

Das Hauptdesign von GTO-Thyristoren ist der Tablettentyp mit einem vierschichtigen Siliziumwafer, der durch temperaturkompensierende Molybdänscheiben zwischen zwei Kupferbasen mit erhöhter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit eingebettet ist. Die Steuerelektrode, die über einen Anschluss in einem Keramikgehäuse verfügt, steht in Kontakt mit dem Siliziumwafer. Das Gerät wird durch Kontaktflächen zwischen zwei voneinander isolierten Kühlerhälften festgeklemmt und weist ein Design auf, das von der Art des Kühlsystems abhängt.

Funktionsprinzip

Der GTO-Thyristorzyklus besteht aus vier Phasen: Ein, Leiten, Aus und Sperren.

Im schematischen Abschnitt der Thyristorstruktur (Abb. 1, b) ist der untere Anschluss der Struktur die Anode. Die Anode steht in Kontakt mit Schicht p. Dann gibt es von unten nach oben: Basisschicht n, Basisschicht p (mit Steuerelektrodenanschluss), Schicht n, die in direktem Kontakt mit dem Kathodenanschluss steht. Vier Schichten bilden drei pn-Übergänge: j1 zwischen den Schichten p und n; j2 zwischen den Schichten n und p; j3 zwischen den Schichten p und n.

Phase 1- Aufnahme. Der Übergang der Thyristorstruktur vom sperrenden Zustand in den leitenden Zustand (Einschalten) ist nur möglich, wenn zwischen Anode und Kathode eine Gleichspannung angelegt wird. Die Übergänge j1 und j3 sind in Vorwärtsrichtung verschoben und stören den Ladungsträgerdurchgang nicht. Die gesamte Spannung liegt am mittleren Verbindungspunkt j2 an, der in Sperrichtung vorgespannt ist. In der Nähe des j2-Übergangs bildet sich eine an Ladungsträgern verarmte Zone, die als Raumladungszone bezeichnet wird. Zum Einschalten des GTO-Thyristors wird über den Steuerstromkreis (der „+“-Anschluss zur p-Schicht) eine Spannung positiver Polarität U G an die Steuerelektrode und die Kathode angelegt. Dadurch fließt der Schaltstrom I G durch den Stromkreis.

Abschaltthyristoren stellen strenge Anforderungen an die Steigung der dIG/dt-Flanke und die Amplitude des IGM-Steuerstroms. Über den Verbindungspunkt j3 beginnt zusätzlich zum Leckstrom der Einschaltstrom I G zu fließen. Die Elektronen, die diesen Strom erzeugen, werden von Schicht n in Schicht p injiziert. Anschließend werden einige davon durch das elektrische Feld des Basisübergangs j2 auf die Schicht n übertragen.

Gleichzeitig wird die Gegeninjektion von Löchern von Schicht p zu Schicht n und dann zu Schicht p zunehmen, d. h. Der durch Minderheitsladungsträger erzeugte Strom wird zunehmen.

Der Gesamtstrom, der durch den Basisübergang j2 fließt, übersteigt den Einschaltstrom, der Thyristor öffnet, woraufhin Ladungsträger alle vier Bereiche ungehindert passieren können.

Phase 2- leitender Staat. Im Gleichstrombetrieb ist kein Steuerstrom I G erforderlich, wenn der Strom im Anodenkreis den Haltestrom übersteigt. Damit sich jedoch in der Praxis alle Strukturen des ausgeschalteten Thyristors ständig im leitenden Zustand befinden, ist es dennoch erforderlich, den für ein bestimmtes Temperaturregime bereitgestellten Strom aufrechtzuerhalten. Somit erzeugt die Steuerung während des gesamten Einschalt- und Leitzustands einen Stromimpuls positiver Polarität.

Im leitenden Zustand sorgen alle Bereiche der Halbleiterstruktur für eine gleichmäßige Bewegung der Ladungsträger (Elektronen von der Kathode zur Anode, Löcher in die entgegengesetzte Richtung). Der Anodenstrom fließt durch die Übergänge j1, j2 und der Gesamtstrom von Anode und Steuerelektrode fließt durch den Übergang j3.

Phase 3- abschalten. Zum Abschalten des GTO-Thyristors mit konstanter Spannungspolarität U T (siehe Abb. 3) wird über den Steuerstromkreis eine Spannung negativer Polarität UGR an Steuerelektrode und Kathode angelegt. Es verursacht einen Abschaltstrom, dessen Fluss zur Resorption der Hauptladungsträger (Löcher) in der Basisschicht p führt. Mit anderen Worten: Es kommt zu einer Rekombination von Löchern, die von der Basisschicht n in die Schicht p gelangten, und Elektronen, die über die Steuerelektrode in dieselbe Schicht gelangten.

Wenn der Basisübergang j2 von ihnen befreit wird, beginnt der Thyristor abzuschalten. Dieser Vorgang ist durch einen starken Abfall des Durchlassstroms I T des Thyristors in kurzer Zeit auf einen kleinen Wert I TQT gekennzeichnet (siehe Abb. 2). Unmittelbar nachdem der Basisübergang j2 verriegelt ist, beginnt sich der Übergang j3 zu schließen, bleibt jedoch aufgrund der in der Induktivität der Steuerkreise gespeicherten Energie für einige Zeit in einem leicht geöffneten Zustand.

Reis. 2. Diagramme der Änderungen des Anodenstroms (iT) und der Steuerelektrode (iG)

Nachdem die gesamte in der Induktivität des Steuerkreises gespeicherte Energie verbraucht ist, wird der Verbindungspunkt j3 auf der Kathodenseite vollständig abgeschaltet. Ab diesem Zeitpunkt ist der Strom durch den Thyristor gleich dem Leckstrom, der von der Anode zur Kathode durch den Steuerelektrodenkreis fließt.

Der Vorgang der Rekombination und damit das Abschalten des Abschaltthyristors hängt weitgehend von der Steigung des vorderen dIGQ/dt und der Amplitude I GQ des umgekehrten Steuerstroms ab. Um die erforderliche Steigung und Amplitude dieses Stroms sicherzustellen, muss an der Steuerelektrode eine Spannung UG angelegt werden, die den für den Übergang j3 zulässigen Wert nicht überschreiten darf.

Phase 4- Sperrzustand. Im Sperrzustandsmodus bleibt die Spannung U GR mit negativer Polarität vom Steuergerät an der Steuerelektrode und der Kathode angelegt. Durch den Steuerkreis fließt der Gesamtstrom I GR, bestehend aus dem Thyristor-Leckstrom und dem durch den Knotenpunkt j3 fließenden Sperrsteuerstrom. Übergang j3 ist in Sperrrichtung vorgespannt. Somit sind in einem GTO-Thyristor im vorwärts sperrenden Zustand zwei Übergänge (j2 und j3) in Sperrrichtung vorgespannt und es werden zwei Raumladungszonen gebildet.

Während des gesamten Abschalt- und Sperrzustandes erzeugt die Steuerung einen Impuls negativer Polarität.

Sicherheitsschaltungen

Der Einsatz von GTO-Thyristoren erfordert den Einsatz spezieller Schutzbeschaltungen. Sie erhöhen das Gewicht und die Abmessungen sowie die Kosten des Konverters und erfordern manchmal zusätzliche Kühlgeräte, sind aber für die normale Funktion der Geräte notwendig.

Der Zweck jeder Schutzschaltung besteht darin, die Anstiegsgeschwindigkeit eines der beiden Parameter der elektrischen Energie beim Schalten eines Halbleiterbauelements zu begrenzen. In diesem Fall sind die Kondensatoren der Schutzschaltung CB (Abb. 3) parallel zum Schutzgerät T geschaltet. Sie begrenzen die Anstiegsgeschwindigkeit der Durchlassspannung dUT/dt beim Abschalten des Thyristors.

LE-Drosseln werden in Reihe mit dem Gerät T eingebaut. Sie begrenzen die Anstiegsgeschwindigkeit des Vorwärtsstroms dIT/dt beim Einschalten des Thyristors. Die dUT/dt- und dIT/dt-Werte für jedes Gerät sind standardisiert und werden in Nachschlagewerken und Passdaten für die Geräte angegeben.

Reis. 3. Schutzschaltplan

Neben Kondensatoren und Drosseln werden in Schutzschaltungen weitere Elemente eingesetzt, um die Entladung und Ladung reaktiver Elemente sicherzustellen. Dazu gehören: die Diode DB, die den Widerstand RB umgeht, wenn der Thyristor T ausgeschaltet und der Kondensator CB geladen ist, und der Widerstand RB, der den Entladestrom des Kondensators CB begrenzt, wenn der Thyristor T eingeschaltet ist.

Steuersystem

Das Steuersystem (CS) enthält die folgenden Funktionsblöcke: eine Freigabeschaltung, bestehend aus einer Schaltung zur Erzeugung eines Entriegelungsimpulses und einer Signalquelle zur Aufrechterhaltung des Thyristors im offenen Zustand; Schaltung zur Erzeugung eines Sperrsignals; Schaltung zum Halten des Thyristors im geschlossenen Zustand.

Nicht alle Arten von Steuerungssystemen erfordern alle aufgeführten Blöcke, aber jedes Steuerungssystem muss Schaltkreise zur Erzeugung von Entriegelungs- und Verriegelungsimpulsen enthalten. In diesem Fall ist auf eine galvanische Trennung des Steuerstromkreises und des Leistungsstromkreises des ausgeschalteten Thyristors zu achten.

Zur Steuerung des Betriebs des ausgeschalteten Thyristors werden zwei Hauptsteuersysteme verwendet, die sich in der Art und Weise unterscheiden, wie sie der Steuerelektrode ein Signal liefern. In dem in Abb. dargestellten Fall. Gemäß Fig. 4 unterliegen die vom Logikblock St erzeugten Signale einer galvanischen Trennung (Potenzialtrennung) und werden anschließend über die Tasten SE und SA der Steuerelektrode des ausgeschalteten Thyristors T zugeführt. Im zweiten Fall werden die Signale Betätigen Sie zunächst die Tasten SE (Ein) und SA (Aus), die auf dem gleichen Potenzial wie das Steuergerät liegen, und werden dann über galvanische Trennvorrichtungen UE und UA der Steuerelektrode zugeführt.

Abhängig von der Position der SE- und SA-Tasten werden Steuerungsschemata mit niedrigem Potenzial (NPSU) und hohem Potenzial (VPSU, Abb. 4) unterschieden.

Reis. 4. Option Steuerkreis

Das NPSU-Steuersystem ist strukturell einfacher als das VPSU, seine Fähigkeiten sind jedoch hinsichtlich der Erzeugung von Steuersignalen mit langer Dauer im Gleichstrommodus, der durch den Thyristor fließt, sowie bei der Gewährleistung der Steilheit der Steuerimpulse begrenzt. Um Signale mit langer Dauer zu erzeugen, müssen teurere Gegentaktschaltungen verwendet werden.

Bei VPSU lassen sich eine hohe Flankensteilheit und eine längere Dauer des Steuersignals leichter erreichen. Außerdem wird hier das Steuersignal vollständig genutzt, während bei der NPSU sein Wert durch eine Potentialtrennvorrichtung (z. B. einen Impulstransformator) begrenzt wird.

Ein Informationssignal – ein Befehl zum Ein- oder Ausschalten – wird der Schaltung üblicherweise über einen optoelektronischen Wandler zugeführt.

Thyristoren GCT

Mitte der 90er Jahre entwickelten ABB und Mitsubishi einen neuen Typ eines Gate Commutated Thyristor (GCT). Tatsächlich handelt es sich bei GCT um eine Weiterentwicklung des GTO bzw. dessen Modernisierung. Das grundlegend neue Design der Steuerelektrode sowie die deutlich veränderten Abläufe im ausgeschalteten Zustand legen jedoch eine Überlegung nahe.

Das GCT wurde so konzipiert, dass es die Mängel des GTO nicht aufweist. Daher müssen wir uns zunächst mit den Problemen befassen, die mit dem GTO auftreten.

Der Hauptnachteil von GTO sind die großen Energieverluste in den Schutzschaltungen des Geräts beim Schalten. Eine Erhöhung der Frequenz erhöht die Verluste, daher werden GTO-Thyristoren in der Praxis mit einer Frequenz von nicht mehr als 250–300 Hz geschaltet. Die Hauptverluste entstehen im Widerstand RB (siehe Abb. 3), wenn der Thyristor T abgeschaltet und damit der Kondensator CB entladen wird.

Der Kondensator CB soll den Anstieg der Durchlassspannung du/dt begrenzen, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Indem der Thyristor gegenüber dem du/dt-Effekt unempfindlich gemacht wurde, war es möglich, auf den Snubber-Schaltkreis (den Schaltpfad-Bildungsschaltkreis) zu verzichten, der im GCT-Design implementiert war.

Steuerungs- und Designmerkmale

Das Hauptmerkmal von GCT-Thyristoren im Vergleich zu GTO-Geräten ist die schnelle Abschaltung, die sowohl durch eine Änderung des Steuerprinzips als auch durch eine Verbesserung des Gerätedesigns erreicht wird. Eine schnelle Abschaltung wird durch die Umwandlung der Thyristorstruktur in eine Transistorstruktur beim Ausschalten des Geräts erreicht, wodurch das Gerät unempfindlich gegenüber dem du/dt-Effekt wird.

Der GCT in der Ein-, Leit- und Sperrphase wird auf die gleiche Weise wie der GTO gesteuert. Im ausgeschalteten Zustand verfügt die GCT-Steuerung über zwei Funktionen:

• Der Steuerstrom Ig ist gleich oder größer als der Anodenstrom Ia (bei GTO-Thyristoren ist Ig 3- bis 5-mal kleiner);
• Die Steuerelektrode hat eine niedrige Induktivität, wodurch eine Stdig/dt von 3000 A/µs oder mehr erreicht werden kann (bei GTO-Thyristoren beträgt der dig/dt-Wert 30-40 A/µs).

Reis. 5. Stromverteilung in der Struktur des GCT-Thyristors im ausgeschalteten Zustand

In Abb. Abbildung 5 zeigt die Stromverteilung in der Struktur des GCT-Thyristors, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Wie bereits erwähnt, ähnelt der Einschaltvorgang dem Einschalten von GTO-Thyristoren. Der Herunterfahrvorgang ist anders. Nach Anlegen eines negativen Steuerimpulses (-Ig), dessen Amplitude dem Wert des Anodenstroms (Ia) entspricht, wird der gesamte durch das Gerät fließende Gleichstrom in das Steuersystem umgelenkt und erreicht die Kathode, wobei der Übergang j3 (zwischen den Bereichen p und) umgangen wird N). Der Anschluss j3 ist in Sperrrichtung vorgespannt und der NPN-Kathodentransistor schaltet ab. Das weitere Ausschalten des GCT ähnelt dem Ausschalten eines Bipolartransistors, was keine externe Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit der Durchlassspannung du/dt erfordert und daher das Fehlen einer Snubber-Kette ermöglicht.

Die Änderung im GCT-Design ist darauf zurückzuführen, dass die dynamischen Prozesse, die im ausgeschalteten Gerät ablaufen, ein bis zwei Größenordnungen schneller ablaufen als im GTO. Wenn also die minimale Abschalt- und Sperrzeit für GTO 100 μs beträgt, überschreitet dieser Wert für GCT 10 μs nicht. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Steuerstroms beim Ausschalten von GCT beträgt 3000 A/µs, GTO – überschreitet nicht 40 A/µs.

Um eine hohe Dynamik der Schaltvorgänge zu gewährleisten, wurde das Design des Steuerelektrodenausgangs und die Anbindung des Gerätes an den Impulsformer des Steuersystems geändert. Die Ausgabe erfolgt in einem Ring, der das Gerät kreisförmig umgibt. Der Ring durchdringt den Keramikkörper des Thyristors und steht in Kontakt: innen mit den Zellen der Steuerelektrode; außen - mit einer Platte, die die Steuerelektrode mit dem Impulsformer verbindet.

Mittlerweile werden GTO-Thyristoren von mehreren großen Unternehmen in Japan und Europa hergestellt: Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, ABB, Eupec. Geräteparameter für Spannung UDRM: 2500 V, 4500 V, 6000 V; nach aktuellem ITGQM (maximaler Wiederholungssperrstrom): 1000 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, 4000 A, 6000 A.

GCT-Thyristoren werden von Mitsubishi und ABB hergestellt. Die Geräte sind für UDRM-Spannungen bis 4500 V und ITGQM-Ströme bis 4000 A ausgelegt.

Derzeit werden GCT- und GTO-Thyristoren im russischen Unternehmen Elektrovypryamitel OJSC (Saransk) hergestellt. Es werden Thyristoren der Serien TZ-243, TZ-253, TZ-273, ZTA-173, ZTA-193, ZTF-193 hergestellt (ähnlich). GCT ) usw. mit einem Siliziumwaferdurchmesser von bis zu 125 mm und einem Spannungsbereich UDRM 1200 – 6000 V und Strom ITGQM 630 – 4000 A.

Parallel zu Abschaltthyristoren und zur Verwendung in Verbindung mit diesen hat JSC Elektrovypryamitel Schnellerholungsdioden für Dämpfungsschaltungen (Snubber) und Rückstromdioden sowie einen leistungsstarken Impulstransistor für die Ausgangsstufen entwickelt und in Serie gebracht des Steuertreibers (Steuerungssystem).

Thyristoren IGCT

Dank des Konzepts der strengen Kontrolle (Feinkontrolle von Legierungsprofilen, Mesa-Technologie, Protonen- und Elektronenbestrahlung zur Schaffung einer speziellen Verteilung kontrollierter Rekombinationszentren, der Technologie sogenannter transparenter oder dünner Emitter, der Verwendung einer Pufferschicht in der n-Base-Region usw.) konnte eine deutliche Verbesserung der Eigenschaften von GTO im ausgeschalteten Zustand erreicht werden. Der nächste große Fortschritt in der HD-GTO-Technologie aus Geräte-, Steuerungs- und Anwendungsperspektive war die Idee gesteuerter Geräte auf Basis des neuen Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT). Dank der strengen Regelungstechnik vergrößert das gleichmäßige Schalten den sicheren Betriebsbereich des IGCT bis zu den durch Lawinendurchschlag begrenzten Grenzen, d.h. zu den physikalischen Fähigkeiten von Silizium. Es sind keine Schutzschaltungen gegen Überschreitung von du/dt erforderlich. In Kombination mit einer verbesserten Verlustleistungsleistung wurden neue Anwendungen im Kilohertz-Bereich gefunden. Die für die Steuerung erforderliche Leistung reduziert sich im Vergleich zu Standard-GTOs um den Faktor 5, was vor allem auf das transparente Anodendesign zurückzuführen ist. Die neue Familie von IGCT-Geräten mit monolithisch integrierten Hochleistungsdioden wurde für Anwendungen im Bereich von 0,5 – 6 MV*A entwickelt. Mit den vorhandenen technischen Möglichkeiten der seriellen und parallelen Verbindung ermöglichen IGCT-Geräte eine Erhöhung des Leistungsniveaus auf mehrere hundert Megavolt – Ampere.

Mit einer integrierten Steuereinheit sinkt der Kathodenstrom, bevor die Anodenspannung anzusteigen beginnt. Dies wird durch die sehr niedrige Induktivität des Steuerelektrodenkreises erreicht, die durch die koaxiale Verbindung der Steuerelektrode in Kombination mit einer mehrschichtigen Steuerplatine erreicht wird. Dadurch konnte eine Abschaltstromgeschwindigkeit von 4 kA/µs erreicht werden. Bei Steuerspannung UGK=20 V. Wenn der Kathodenstrom Null wird, geht der verbleibende Anodenstrom zum Steuergerät, das in diesem Moment niederohmig ist. Dadurch wird der Energieverbrauch der Steuereinheit minimiert.

Bei „harter“ Steuerung schaltet der Thyristor beim Einschalten innerhalb von 1 μs vom pnpn-Zustand in den pnp-Modus um. Die Abschaltung erfolgt komplett im Transistorbetrieb, sodass eine Triggerwirkung ausgeschlossen ist.

Die Reduzierung der Dicke des Geräts wird durch die Verwendung einer Pufferschicht auf der Anodenseite erreicht. Die Pufferschicht von Leistungshalbleitern verbessert die Leistung herkömmlicher Elemente, indem sie deren Dicke bei gleicher Vorwärtsdurchbruchspannung um 30 % reduziert. Der Hauptvorteil dünner Elemente sind verbesserte technologische Eigenschaften bei geringen statischen und dynamischen Verlusten. Eine solche Pufferschicht in einem vierschichtigen Gerät erfordert die Beseitigung von Anodenkurzschlüssen, setzt beim Abschalten aber dennoch effektiv Elektronen frei. Das neue IGCT-Gerät kombiniert eine Pufferschicht mit einem transparenten Anodenemitter. Die transparente Anode ist ein pn-Übergang mit stromgesteuerter Emittereffizienz.

Für maximale Störfestigkeit und Kompaktheit umgibt die Steuereinheit den IGCT, bildet mit dem Kühler eine einzige Struktur und enthält nur den Teil der Schaltung, der zur Steuerung des IGCT selbst erforderlich ist. Dadurch wird die Anzahl der Elemente der Steuereinheit reduziert, die Parameter Wärmeableitung, elektrische und thermische Überlastungen werden reduziert. Dadurch werden auch die Kosten für das Steuergerät und die Ausfallrate deutlich reduziert. Der IGCT mit integrierter Steuereinheit wird einfach im Modul befestigt und per Glasfaser präzise mit der Stromversorgung und Steuersignalquelle verbunden. Durch einfaches Lösen der Feder wird eine genau berechnete Klemmkraft auf den IGCT ausgeübt, wodurch dank eines sorgfältig entwickelten Klemmkontaktsystems elektrischer und thermischer Kontakt hergestellt wird. Dies gewährleistet höchste Montagefreundlichkeit und höchste Zuverlässigkeit. Beim Betrieb des IGCT ohne Snubber muss die Freilaufdiode auch ohne Snubber arbeiten. Diese Anforderungen erfüllt eine Hochleistungsdiode im Klemmgehäuse mit verbesserten Eigenschaften, hergestellt im Bestrahlungsverfahren in Kombination mit klassischen Verfahren. Die Fähigkeit, di/dt bereitzustellen, wird durch den Betrieb der Diode bestimmt (siehe Abb. 6).

Reis. 6. Vereinfachtes Diagramm eines dreiphasigen Wechselrichters auf IGCT

Der Haupthersteller von IGCT ist ABB. Thyristorspannungsparameter U DRM: 4500 V, 6000 V; aktueller ITGQM: 3000 A, 4000 A.

Abschluss

Die rasante Entwicklung der Leistungstransistortechnologie in den frühen 90er Jahren führte zur Entstehung einer neuen Klasse von Geräten – Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors). Die Hauptvorteile von IGBT sind hohe Betriebsfrequenz, Effizienz, Einfachheit und Kompaktheit der Steuerkreise (aufgrund des niedrigen Steuerstroms).

Das Aufkommen von IGBTs mit Betriebsspannungen bis 4500 V und der Fähigkeit, Ströme bis 1800 A zu schalten, hat in den letzten Jahren zu einer Verdrängung von GTO-Thyristoren (GTO) in Geräten mit Leistungen bis 1 MW und Spannungen bis . geführt 3,5 kV.

Die neuen IGCT-Geräte, die mit Schaltfrequenzen von 500 Hz bis 2 kHz arbeiten können und eine höhere Leistung als IGBTs bieten, kombinieren jedoch eine optimale Kombination aus bewährter Thyristortechnologie mit ihren inhärenten geringen Verlusten und snubberloser, hocheffizienter Abschalttechnologie. Steuerelektrode Der IGCT ist heute die ideale Lösung für Anwendungen der Leistungselektronik im Mittel- und Hochspannungsbereich.

Die Eigenschaften moderner leistungsstarker Leistungsschalter mit doppelseitigem Kühlkörper sind in der Tabelle aufgeführt. 1.

Tabelle 1. Eigenschaften moderner leistungsstarker Leistungsschalter mit doppelseitigem Kühlkörper

Gerätetyp	Vorteile	Mängel	Einsatzgebiete
Traditioneller Thyristor (SCR)	Geringste Verluste im eingeschalteten Zustand. Höchste Überlastfähigkeit. Hohe Zuverlässigkeit. Einfach parallel und in Reihe schaltbar.	Keine Zwangsverriegelung über die Steuerelektrode möglich. Niedrige Betriebsfrequenz.	Gleichstromantrieb; leistungsstarke Netzteile; Schweißen; Schmelzen und Erhitzen; statische Kompensatoren; AC-Schlüssel
GTO	Kontrollierte Verriegelungsmöglichkeit. Relativ hohe Überlastfähigkeit. Möglichkeit der seriellen Verbindung. Betriebsfrequenzen bis 250 Hz bei Spannungen bis 4 kV.	Hohe Verluste im eingeschalteten Zustand. Sehr große Verluste im Steuerungssystem. Komplexe Systeme zur Steuerung und Bereitstellung von Energiepotenzialen. Große Schaltverluste.	Elektrischer Antrieb; statische Kompensatoren; Blindleistung; unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; Induktionsheizung
IGCT	Kontrollierte Verriegelungsmöglichkeit. Die Überlastfähigkeit ist die gleiche wie beim GTO. Geringe Schaltverluste im eingeschalteten Zustand. Betriebsfrequenz – bis zu Einheiten, kHz. Eingebaute Steuereinheit (Treiber). Möglichkeit der seriellen Verbindung.	Aufgrund mangelnder Betriebserfahrung nicht identifiziert	Leistungsstarke Stromversorgungen (Wechselrichter- und Gleichrichterstationen von Gleichstromübertragungsleitungen); Elektroantrieb (Spannungsumrichter für Frequenzumrichter und Elektroantriebe für verschiedene Zwecke)
IGBT	Kontrollierte Verriegelungsmöglichkeit. Höchste Betriebsfrequenz (bis zu 10 kHz). Einfaches Steuerungssystem mit geringem Stromverbrauch. Eingebauter Treiber.	Sehr hohe Verluste im eingeschalteten Zustand.	Elektroantrieb (Häcksler); unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme; statische Kompensatoren und aktive Filter; wichtige Netzteile

Um sich die Arbeit klar vorstellen zu können, ist es notwendig, eine Vorstellung vom Wesen der Arbeit eines Thyristors zu geben.

Ein kontrollierter Leiter, bestehend aus vier Halbleiterübergängen P-N-P-N. Ihr Funktionsprinzip ähnelt dem einer Diode und wird ausgeführt, wenn der Steuerelektrode ein elektrischer Strom zugeführt wird.

Ein Stromdurchgang durch den Thyristor ist nur möglich, wenn das Anodenpotential höher als das Kathodenpotential ist. Der Stromfluss durch den Thyristor stoppt, wenn der Stromwert auf die Einschaltschwelle fällt. Der Strom, der zur Steuerelektrode fließt, hat keinen Einfluss auf den Stromwert im Hauptteil des Thyristors und benötigt außerdem keine ständige Unterstützung im Hauptzustand des Thyristors; er wird ausschließlich zum Öffnen des Thyristors benötigt.

Es gibt mehrere entscheidende Eigenschaften eines Thyristors

Im offenen, für die Stromleitungsfunktion günstigen Zustand zeichnet sich der Thyristor durch folgende Indikatoren aus:

• Spannungsabfall, er wird anhand des Innenwiderstands als Schwellenspannung bestimmt.
• Der maximal zulässige Stromwert beträgt bis zu 5000 A, der für die leistungsstärksten Komponenten typische Effektivwert.

Im gesperrten Zustand des Thyristors gilt:

• Direkte maximal zulässige Spannung (höher als 5000 A).
• Im Allgemeinen sind die Werte der Vorwärts- und Rückwärtsspannung gleich.
• Die Abschaltzeit oder die Zeit mit einem Mindestwert, während der der Thyristor nicht durch den positiven Wert der Anodenspannung relativ zur Kathode beeinflusst wird, da der Thyristor sonst spontan entsperrt.
• Steuerstromcharakteristik des offenen Hauptteils des Thyristors.

Es gibt Thyristoren, die für den Betrieb in Schaltkreisen für niedrige Frequenzen und für Schaltkreise mit hohen Frequenzen ausgelegt sind. Dabei handelt es sich um sogenannte Hochgeschwindigkeitsthyristoren; ihr Einsatzbereich ist auf mehrere Kilohertz ausgelegt. Hochgeschwindigkeitsthyristoren zeichnen sich durch die Verwendung ungleicher Vorwärts- und Rückwärtsspannungen aus.

Um den konstanten Spannungswert zu erhöhen

Reis. Nr. 1. Gesamtanschlussmaße und Zeichnung des Thyristors. M 1, M 2 – Kontrollpunkte, an denen die Impulsspannung im geöffneten Zustand gemessen wird. L 1 Mindest – der kleinste Luftspalt (Abstand) in der Luft zwischen den Anschlüssen der Anode und der Steuerelektrode; L 2 Mindest – Mindestabstand aktuelle Durchgangslänge Lecks zwischen Terminals.

Arten von Thyristoren

• – Diodenthyristor, hat zwei Anschlüsse Anode und Kathode.
• SCR – ein Triodenthyristor ist mit einer zusätzlichen Steuerelektrode ausgestattet.
• Ein Triac ist ein symmetrischer Thyristor; er ist eine Antiserienschaltung von Thyristoren und hat die Fähigkeit, Strom in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu leiten.

Reis. Nr. 2. Aufbau (a) und Strom-Spannungs-Kennlinie (Volt-Ampere-Kennlinie) des Thyristors.

Thyristoren sind für den Betrieb in Schaltkreisen mit unterschiedlichen Frequenzgrenzen ausgelegt. In normalen Anwendungen können Thyristoren mit Dioden verbunden werden, die Rücken an Rücken geschaltet sind. Diese Eigenschaft wird genutzt, um die Gleichspannung zu erhöhen, der die Komponente standhalten kann Aus-Zustand. Für fortgeschrittene Schaltungen wird es verwendet ThyristorGTO (Tor Drehen Oee – abschließbarer Thyristor), es ist völlig beherrschbar. Die Verriegelung erfolgt über die Steuerelektrode. Der Einsatz derartiger Thyristoren findet Anwendung in sehr leistungsstarken Wandlern, da sie hohe Ströme leiten können.

Schreiben Sie Kommentare, Ergänzungen zum Artikel, vielleicht habe ich etwas verpasst. Schauen Sie doch mal vorbei, ich würde mich freuen, wenn Sie bei mir noch etwas Nützliches finden.