사이리스터 : 작동 원리, 설계, 포함 유형 및 방법

사이리스터의 작동 원리

사이리스터는 완전히 제어할 수 있는 스위치가 아닌 전력 전자 장치입니다. 따라서 때때로 기술 문헌에서는 제어 신호에 의해서만 전도 상태로 전환될 수 있는 단일 작동 사이리스터라고 합니다. 즉, 켜질 수 있습니다. 전원을 끄려면(직류 작동에서) 직류가 0으로 떨어지도록 특별한 조치를 취해야 합니다.

사이리스터 스위치는 전류를 한 방향으로만 전도할 수 있으며 닫힌 상태에서는 순방향 및 역방향 전압을 모두 견딜 수 있습니다.

사이리스터는 양극(A), 음극(C) 및 게이트(G)의 3개 리드가 있는 4층 p-n-p-n 구조를 가지고 있습니다. 1

쌀. 1. 기존의 사이리스터: a) - 기존의 그래픽 지정; b) - 전압-암페어 특성.

무화과에서. 1b는 제어 전류 iG의 다른 값에서 출력 정적 I-V 특성의 제품군을 보여줍니다. 사이리스터를 켜지 않고 견딜 수 있는 제한 순방향 전압은 iG = 0에서 최대값을 갖습니다.전류가 증가함에 따라 iG는 사이리스터가 견딜 수 있는 전압을 감소시킵니다. 사이리스터의 온 상태는 브랜치 II에 해당하고 오프 상태는 브랜치 I에 해당하며 스위칭 프로세스는 브랜치 III에 해당합니다. 유지 전류 또는 유지 전류는 사이리스터가 전도 상태를 유지하는 최소 허용 순방향 전류 iA와 같습니다. 이 값은 또한 사이리스터 양단의 순방향 전압 강하의 가능한 최소값에 해당합니다.

브랜치 IV는 역 전압에 대한 누설 전류의 의존성을 나타냅니다. 역 전압이 UBO 값을 초과하면 사이리스터 고장과 관련된 역 전류의 급격한 증가가 시작됩니다. 항복의 특성은 반도체 제너 다이오드의 작동에 내재된 돌이킬 수 없는 프로세스 또는 애벌런치 항복 프로세스에 해당할 수 있습니다.

사이리스터는 1kHz 이하의 주파수에서 최대 5kV의 전압과 최대 5kA의 전류로 회로를 전환할 수 있는 가장 강력한 전자 스위치입니다.

사이리스터의 설계는 Fig. 2.

쌀. 2. 사이리스터 상자의 설계: a) — 태블릿; b) — 핀

DC 사이리스터

기존의 사이리스터는 음극에 대해 양의 극성으로 제어 회로에 전류 펄스를 적용하여 켜집니다. 켜기 동안의 과도 지속 시간은 부하의 특성(활성, 유도성 등), 제어 전류 펄스 iG의 진폭 및 상승률, 사이리스터의 반도체 구조 온도, 적용된 전압 및 부하 전류.사이리스터를 포함하는 회로에서 순방향 전압 duAC / dt의 상승률에 허용되지 않는 값이 없어야합니다. 여기서 사이리스터는 제어 신호 iG가없고 비율이 없을 때 자발적으로 활성화 될 수 있습니다. 현재 diA / dt에서 상승하십시오. 동시에 제어 신호의 기울기가 높아야 합니다.

사이리스터를 끄는 방법 중 자연 끄기(또는 자연 스위칭)와 강제(또는 인공 스위칭)를 구분하는 것이 일반적입니다. 전류가 0으로 떨어지는 순간 사이리스터가 교류 회로에서 작동할 때 자연 정류가 발생합니다.

강제 스위칭 방법은 매우 다양하며 가장 일반적인 방법은 다음과 같습니다. LC 회로를 미리 충전된 커패시터 CK와 연결(그림 3b); 부하 회로에서 과도 프로세스의 진동 특성 사용(그림 3, c).

쌀. 3. 사이리스터의 인공 스위칭 방법: a) - 충전된 커패시터 C에 의해; b) - LC 회로의 진동 방전에 의해; c) - 부하의 변동 특성으로 인해

그림의 다이어그램에 따라 전환할 때. 예를 들어 다른 보조 사이리스터에 역 극성의 스위칭 커패시터를 연결하면 전도성 주 사이리스터로 방전됩니다. 커패시터의 방전 전류는 사이리스터의 순방향 전류를 향하기 때문에 후자는 0으로 감소하고 사이리스터는 꺼집니다.

그림의 다이어그램에서. 도 3b에서 LC 회로의 연결은 스위칭 커패시터 CK의 발진 방전을 야기한다.이 경우 처음에는 방전 전류가 순방향 전류와 반대되는 사이리스터를 통해 흐르고 동일 해지면 사이리스터가 꺼집니다. 또한 LC 회로의 전류는 사이리스터 VS에서 다이오드 VD로 흐릅니다. 루프 전류가 다이오드 VD를 통해 흐르면 개방 다이오드 양단의 전압 강하와 동일한 역 전압이 사이리스터 VS에 적용됩니다.

그림의 다이어그램에서. 3, 사이리스터 VS를 복잡한 RLC 부하에 연결하면 과도 현상이 발생합니다. 부하의 특정 매개 변수를 사용하면이 프로세스는 부하 전류의 극성이 변경되는 진동 특성을 가질 수 있습니다. 이 경우 사이리스터 VS를 끈 후 다이오드 VD가 켜지고 전류가 흐르기 시작합니다. 반대 극성. 때때로 이 전환 방법은 부하 전류의 극성 변화를 포함하기 때문에 준자연이라고 합니다.

AC 사이리스터

사이리스터가 AC 회로에 연결되면 다음 작업이 가능합니다.

• 능동 및 능동 반응 부하로 전기 회로를 켜고 끕니다.

• 제어 신호의 타이밍을 조정할 수 있기 때문에 부하를 통한 평균 및 유효 전류 값의 변화.

사이리스터 스위치는 한 방향으로 만 전류를 흘릴 수 있기 때문에 교류 사이리스터를 사용하기 위해 병렬 연결이 사용됩니다 (그림 4, a).

쌀. 4. 사이리스터의 역병렬 연결(a) 및 활성 부하가 있는 전류의 모양(b)

평균 및 유효 전류 사이리스터 VS1 및 VS2에 개방 신호가 인가되는 시간의 변화, 즉 각도를 변경하여 (그림 4, b).조정 중 사이리스터 VS1 및 VS2에 대한 이 각도 값은 제어 시스템에 의해 동시에 변경됩니다. 이 각도를 사이리스터의 제어 각도 또는 점화 각도라고 합니다.

전력 전자 장치에서 가장 널리 사용되는 것은 위상(그림 4, a, b)과 펄스 폭이 있는 사이리스터 제어(그림 4, c)입니다.

쌀. 5. 부하 전압 유형: a) - 사이리스터의 위상 제어; b) - 강제 정류가 있는 사이리스터의 위상 제어; c) - 펄스 폭 사이리스터 제어

강제 정류가 있는 사이리스터 제어의 위상 방법을 사용하면 각도 ?와 각도 ?를 변경하여 부하 전류를 조정할 수 있습니다. 특수 노드를 사용하거나 완전히 제어되는(잠금) 사이리스터를 사용하여 인공 스위칭이 수행됩니다.

펄스 폭 제어(펄스 폭 변조 - PWM)를 통해 Totkr 동안 제어 신호가 사이리스터에 적용되고 사이리스터가 열리고 전압 Un이 부하에 적용됩니다. Tacr 시간 동안 제어 신호가 없고 사이리스터는 비전도 상태에 있습니다. 부하 전류의 RMS 값

여기서 In.m. - Tcl = 0에서 부하 전류.

사이리스터의 위상 제어가있는 부하의 전류 곡선은 사인파가 아니므로 공급 네트워크의 전압 모양이 왜곡되고 고주파 교란에 민감한 소비자의 작업에 교란이 발생합니다. 소위 발생합니다. 전자기 비호환성.

잠금 사이리스터

사이리스터는 고전압, 고전류(고전류) 회로를 전환하는 데 사용되는 가장 강력한 전자 스위치입니다.그러나 그들은 상당한 단점이 있습니다. 불완전한 제어 가능성은 전원을 끄기 위해 순방향 전류를 0으로 줄이기위한 조건을 만들어야한다는 사실에서 나타납니다. 이것은 많은 경우에 사이리스터의 사용을 제한하고 복잡하게 만듭니다.

이러한 단점을 제거하기 위해 제어 전극 G의 신호에 의해 잠긴 사이리스터가 개발되었습니다. 이러한 사이리스터를 게이트 오프 사이리스터(GTO) 또는 이중 작동이라고 합니다.

잠금 사이리스터(ZT)는 4층 p-p-p-p 구조를 가지고 있지만 동시에 기존 사이리스터와 완전히 다른 여러 가지 중요한 설계 기능을 가지고 있습니다. 순방향으로 끄는 사이리스터의 정적 I-V 특성은 기존 사이리스터의 I-V 특성과 동일합니다. 그러나 잠금 사이리스터는 일반적으로 큰 역 전압을 차단할 수 없으며 종종 역병렬 다이오드에 연결됩니다. 또한 잠금 사이리스터는 상당한 순방향 전압 강하가 특징입니다. 잠금 사이리스터를 끄려면 폐쇄 전극의 회로에 강력한 네거티브 전류 펄스 (일정한 오프 전류 값과 관련하여 약 1 : 5)를 적용해야하지만 짧은 지속 시간 (10- 100μs ).

잠금 사이리스터는 또한 기존 사이리스터보다 컷오프 전압과 전류가 낮습니다(약 20-30%).

사이리스터의 주요 유형

잠금 사이리스터를 제외하고 속도, 제어 프로세스, 전도 상태의 전류 방향 등이 다른 다양한 유형의 광범위한 사이리스터가 개발되었습니다.그 중에서 다음과 같은 유형에 주목해야 합니다.

• 역 병렬 연결된 다이오드가있는 사이리스터와 동등한 사이리스터 다이오드 (그림 6.12, a);

• A와 C 사이에 적용되는 특정 전압 수준을 초과하면 전도 상태로 전환되는 다이오드 사이리스터 (dynistor) (그림 6, b);

• 잠금 사이리스터 (그림 6.12, c);

• 두 개의 역병렬 연결된 사이리스터에 해당하는 대칭 사이리스터 또는 트라이악(그림 6.12, d);

• 고속 인버터 사이리스터(오프 타임 5-50μs);

• 예를 들어 MOS 트랜지스터와 사이리스터의 조합을 기반으로 하는 필드 사이리스터;

• 광속에 의해 제어되는 광학 사이리스터.

쌀. 6. 사이리스터의 기존 그래픽 지정: a) - 사이리스터 다이오드; b) - 다이오드 사이리스터(dynistor); c) - 잠금 사이리스터; d) — 트라이액

사이리스터 보호

사이리스터는 순방향 전류 diA/dt 및 전압 강하 duAC/dt의 상승률에 중요한 장치입니다. 다이오드와 같은 사이리스터는 역 회복 전류 현상이 특징이며, 0으로 급격히 떨어지면 높은 duAC / dt 값을 갖는 과전압 가능성이 악화됩니다. 이러한 과전압은 다음을 포함하여 회로의 유도성 요소에서 전류가 갑자기 중단된 결과입니다. 작은 인덕턴스 설치. 따라서 동적 모드에서 diA / dt 및 duAC / dt의 허용되지 않는 값에 대한 보호를 제공하는 사이리스터를 보호하기 위해 다양한 CFTCP 체계가 일반적으로 사용됩니다.

대부분의 경우 포함된 사이리스터의 회로에 포함된 전압 소스의 내부 유도 저항은 추가 인덕턴스 LS가 도입되지 않도록 충분합니다.따라서 실제로 트리핑 서지의 수준과 속도를 줄이는 CFT가 종종 필요합니다(그림 7).

쌀. 7. 일반적인 사이리스터 보호 회로

사이리스터와 병렬로 연결된 RC 회로는 일반적으로 이러한 목적으로 사용됩니다. RC 회로의 다양한 회로 수정과 사이리스터 사용 조건에 따라 매개 변수를 계산하는 방법이 있습니다.

록인 사이리스터의 경우 회로는 CFTT 트랜지스터와 유사한 스위칭 경로를 형성하는 데 사용됩니다.