Metodi di commutazione a tiristori nell'elettronica di potenza

La maggior parte del apparecchiature di conversione e l'uso di alimentatori switching elettronica di potenza componenti come tiristori, MOSFET e altri dispositivi semiconduttori di potenza per operazioni di commutazione ad alta frequenza con potenze nominali elevate. Considera i tiristori che usiamo molto frequentemente come interruttori bistabili in diverse applicazioni. Questi tiristori utilizzano interruttori necessari per essere accesi e spenti. Per accendere i tiristori, ci sono alcuni metodi di attivazione dei tiristori chiamati metodi di attivazione dei tiristori. Allo stesso modo, per spegnere i tiristori, esistono metodi chiamati metodi o tecniche di commutazione dei tiristori. Prima di discutere le tecniche di commutazione dei tiristori, dobbiamo sapere qualcosa sulle basi dei tiristori come un tiristore, il funzionamento del tiristore, diversi tipi di tiristori e metodi di accensione dei tiristori.

Cos'è un tiristore?

I dispositivi semiconduttori da due a quattro conduttori costituiti da quattro strati di materiali alternati di tipo N e P sono chiamati tiristori. Questi sono generalmente usati come interruttori bistabili che conducono solo quando viene attivato il terminale di gate del tiristore. Un tiristore è anche chiamato raddrizzatore controllato al silicio o SCR.

Tiristore

Qual è la commutazione di SCR?

La commutazione non è altro che il metodo di spegnimento di un SCR. È un metodo utilizzato per portare un SCR o un tiristore dallo stato ON allo stato OFF. Sappiamo che un SCR può essere attivato utilizzando un segnale di gate verso un SCR quando è in polarizzazione di inoltro. Ma SCR deve spegnersi quando richiesto per il controllo dell'alimentazione, altrimenti il ​​condizionamento della potenza.

Circuito di commutazione per SCR

Quando un SCR si muove nella modalità di conduzione di inoltro, il suo terminale di gate perde il controllo. Per questo, è necessario utilizzare un circuito aggiuntivo per disattivare il tiristore / SCR. Quindi, questo circuito aggiuntivo è chiamato circuito di commutazione.

Quindi questo termine viene utilizzato principalmente per trasferire la corrente da un ane all'altro. Il circuito di commutazione riduce principalmente la corrente diretta a zero per spegnere il tiristore. Quindi, le seguenti condizioni dovrebbero essere soddisfatte per spegnere il tiristore una volta che è in conduzione.

• La corrente diretta del tiristore o dell'SCR dovrebbe essere ridotta a zero altrimenti sotto il livello di corrente di mantenimento.
• Un'ampia tensione inversa dovrebbe essere fornita attraverso l'SCR / tiristore per ripristinare la sua condizione di blocco diretto.

Una volta che l'SCR viene disattivato riducendo la corrente diretta a zero, esistono portatori di carica in eccesso all'interno di diversi strati. Per ripristinare la condizione di blocco in avanti del tiristore, questi portatori di carica in eccesso dovrebbero essere ricombinati. Quindi, questo metodo di ricombinazione può accelerare applicando una tensione inversa attraverso il tiristore.

Metodi di commutazione del tiristore

Come abbiamo studiato sopra, un tiristore può essere acceso attivando un terminale di gate con un impulso di breve durata a bassa tensione. Ma dopo l'accensione, condurrà in modo continuo fino a quando il tiristore non è polarizzato inversamente o la corrente di carico scende a zero. Questa conduzione continua dei tiristori causa problemi in alcune applicazioni. Il processo utilizzato per spegnere un tiristore è chiamato commutazione. Con il processo di commutazione, la modalità operativa del tiristore viene modificata dalla modalità di conduzione diretta alla modalità di blocco diretta. Quindi, per lo spegnimento vengono utilizzati i metodi di commutazione del tiristore o le tecniche di commutazione del tiristore.

Le tecniche di commutazione dei tiristori sono classificate in due tipologie:

• Commutazione naturale
• Commutazione forzata

Commutazione naturale

Generalmente, se consideriamo l'alimentazione CA, la corrente scorrerà attraverso la linea di zero crossing passando da un picco positivo a un picco negativo. Pertanto, una tensione inversa apparirà simultaneamente attraverso il dispositivo, che spegnerà immediatamente il tiristore. Questo processo è chiamato commutazione naturale in quanto il tiristore viene spento naturalmente senza l'utilizzo di componenti o circuiti esterni o alimentazione per scopi di commutazione.

La commutazione naturale può essere osservata in controller di tensione CA, raddrizzatori a controllo di fase e convertitori ciclo.

Commutazione forzata

Il tiristore può essere disattivato polarizzando al contrario l'SCR o utilizzando componenti attivi o passivi. La corrente del tiristore può essere ridotta a un valore inferiore al valore della corrente di mantenimento. Poiché il tiristore viene disattivato forzatamente, viene definito un processo di commutazione forzata. Il elettronica di base e componenti elettrici come l'induttanza e la capacità sono usati come elementi di commutazione per scopi di commutazione.

La commutazione forzata può essere osservata mentre si utilizza l'alimentazione CC, quindi è anche chiamata commutazione CC. Il circuito esterno utilizzato per il processo di commutazione forzata è chiamato circuito di commutazione e gli elementi utilizzati in questo circuito sono chiamati elementi di commutazione.

Classificazione dei metodi di commutazione forzata

Di seguito viene discussa la classificazione dei metodi di commutazione dei tiristori. La sua classificazione avviene principalmente a seconda che l'impulso di commutazione sia un impulso di corrente di un impulso di tensione, sia che sia collegato in serie / parallelo tramite l'SCR da commutare, sia che il segnale sia dato tramite un tiristore ausiliario o principale, sia che il circuito di commutazione viene caricato da una fonte ausiliaria o principale. La classificazione degli inverter può essere fatta principalmente in base alla posizione dei segnali di commutazione. La commutazione forzata può essere classificata in diversi metodi come segue:

• Classe A: autocommutata da un carico risonante
• Classe B: autocommutata da un circuito LC
• Classe C: Cor L-C commutato da un altro SCR portante
• Classe D: C o L-C commutati da un SCR ausiliario
• Classe E: una sorgente di impulsi esterna per la commutazione
• Classe F: commutazione linea AC

Classe A: auto commutata da un carico di risonanza

La classe A è una delle tecniche di commutazione a tiristori utilizzate di frequente. Se il tiristore viene attivato o acceso, la corrente anodica fluirà caricando condensatore C con punto come positivo. Il circuito sottosmorzato del secondo ordine è formato dal induttore o resistore CA. , condensatore e resistenza. Se la corrente si accumula attraverso l'SCR e completa il semiciclo, la corrente dell'induttore fluirà attraverso l'SCR nella direzione inversa, il che spegnerà il tiristore.

Metodo di commutazione a tiristori di classe A.

Dopo la commutazione del tiristore o lo spegnimento del tiristore, il condensatore inizierà a scaricarsi dal suo valore di picco attraverso il resistore in modo esponenziale. Il tiristore sarà in condizione di polarizzazione inversa fino a quando la tensione del condensatore non torna al livello della tensione di alimentazione.

Classe B: auto commutata da un circuito L-C

La principale differenza tra i metodi di commutazione del tiristore di classe A e di classe B è che l'LC è collegato in serie con il tiristore in classe A, mentre in parallelo con il tiristore in classe B.Prima di scattare sull'SCR, il condensatore viene caricato (il punto indica positivo). Se l'SCR viene attivato o riceve un impulso di attivazione, la corrente risultante ha due componenti.

Metodo di commutazione del tiristore di classe B.

La corrente di carico costante che fluisce attraverso il carico R-L è assicurata dalla grande reattanza collegata in serie al carico che è bloccato con un diodo a ruota libera. Se la corrente sinusoidale scorre attraverso il circuito L-C risonante, il condensatore C viene caricato con un punto negativo alla fine del semiciclo.

La corrente totale che scorre attraverso l'SCR diventa zero con la corrente inversa che fluisce attraverso l'SCR opponendosi alla corrente di carico per una piccola frazione dell'oscillazione negativa. Se la corrente del circuito risonante o la corrente inversa diventa appena maggiore della corrente di carico, l'SCR verrà disattivato.

Classe C: C o L-C commutate da un altro SCR che trasporta carichi

Nei metodi di commutazione del tiristore sopra, abbiamo osservato solo un SCR ma in queste tecniche di commutazione di classe C del tiristore, ci saranno due SCR. Un SCR è considerato come il tiristore principale e l'altro come tiristore ausiliario. In questa classificazione, entrambi possono agire come SCR principali che trasportano corrente di carico e possono essere progettati con quattro SCR con carico attraverso il condensatore utilizzando una sorgente di corrente per alimentare un convertitore integrale.

Metodo di commutazione del tiristore di classe C.

Se il tiristore T2 viene attivato, il condensatore verrà caricato. Se il tiristore T1 viene attivato, il condensatore si scaricherà e questa corrente di scarica di C si opporrà al flusso della corrente di carico in T2 quando il condensatore viene commutato attraverso T2 tramite T1.

Classe D: L-C o C commutati da un SCR ausiliario

I metodi di commutazione dei tiristori di classe C e di classe D possono essere differenziati con la corrente di carico in classe D: solo uno degli SCR trasporterà la corrente di carico mentre l'altro funge da tiristore ausiliario mentre in classe C entrambi gli SCR trasporteranno la corrente di carico. Il tiristore ausiliario è costituito da un resistore nel suo anodo che ha una resistenza di circa dieci volte la resistenza di carico.

Tipo di classe D.

Attivando il Ta (tiristore ausiliario) il condensatore viene caricato fino alla tensione di alimentazione e quindi il Ta si spegne. La tensione extra, se presente, a causa della sostanziale induttanza nelle linee di ingresso verrà scaricata attraverso il circuito di carico diodo-induttore.

Se viene attivato il Tm (tiristore principale), la corrente fluirà in due percorsi: la corrente di commutazione fluirà attraverso il percorso C-Tm-L-D e la corrente di carico fluirà attraverso il carico. Se la carica sul condensatore viene invertita e mantenuta a quel livello utilizzando il diodo e se Ta viene riattivato, la tensione attraverso il condensatore apparirà attraverso Tm tramite Ta. Pertanto, il tiristore principale Tm verrà spento.

Classe E: sorgente di impulsi esterna per la commutazione

Per le tecniche di commutazione a tiristori di classe E, un trasformatore non può saturarsi (poiché ha un sufficiente traferro) e in grado di sopportare la corrente di carico con una piccola caduta di tensione rispetto alla tensione di alimentazione. Se il tiristore T viene attivato, la corrente fluirà attraverso il carico e il trasformatore di impulsi.

Tipo di classe E.

Un generatore di impulsi esterno viene utilizzato per generare un impulso positivo che viene fornito al catodo del tiristore attraverso un trasformatore di impulsi. Il condensatore C viene caricato a circa 1v ed è considerato con impedenza nulla per la durata dell'impulso di spegnimento. La tensione ai capi del tiristore viene invertita dall'impulso proveniente da trasformatore elettrico che fornisce la corrente di recupero inversa e per il tempo di spegnimento richiesto mantiene la tensione negativa.

Classe F: linea CA commutata

Nelle tecniche di commutazione a tiristori di classe F, viene utilizzata una tensione alternata per l'alimentazione e, durante il semiciclo positivo di questa alimentazione, la corrente di carico fluirà. Se il carico è altamente induttivo, la corrente rimarrà fino a quando l'energia immagazzinata nel carico induttivo non sarà dissipata. Durante il semiciclo negativo, quando la corrente di carico diventa zero, il tiristore si spegnerà. Se la tensione esiste per un periodo del tempo di spegnimento nominale del dispositivo, la polarità negativa della tensione ai capi del tiristore in uscita lo spegnerà.

Tipo di classe F.

Qui, la durata del semiciclo deve essere maggiore del tempo di spegnimento del tiristore. Questo processo di commutazione è simile al concetto di un convertitore trifase. Si consideri che principalmente T1 e T11 conducono con l'angolo di innesco del convertitore, che è pari a 60 gradi e funziona in modalità di conduzione continua con un carico altamente induttivo.

Se i tiristori T2 e T22 vengono attivati, istantaneamente la corrente attraverso i dispositivi in ​​ingresso non salirà al livello di corrente di carico. Se la corrente attraverso i tiristori in entrata raggiunge il livello di corrente di carico, verrà avviato il processo di commutazione dei tiristori in uscita. Questa tensione di polarizzazione inversa del tiristore deve essere continuata fino a quando non viene raggiunto lo stato di blocco diretto.

Errore dei metodi di commutazione del tiristore

Il guasto di commutazione dei tiristori si verifica principalmente perché sono commutati sulla linea e la caduta di tensione può portare a una tensione inadeguata per commutare, quindi causa un guasto una volta che il tiristore successivo è acceso. Quindi l'errore di commutazione si verifica a causa di diversi motivi, alcuni dei quali sono discussi di seguito.
I tiristori forniscono un tempo di ripristino inverso abbastanza lento, quindi la corrente inversa principale può fornire nella conduzione di inoltro. Questo può significare 'corrente di guasto', che appare in modo ciclico per la dissipazione di potenza associata che viene visualizzata al guasto dell'SCR.

In un circuito elettrico, la commutazione è fondamentalmente una volta che il flusso di corrente scorre da un ramo del circuito a un altro. Un errore di commutazione si verifica principalmente quando la modifica del percorso non riesce per qualsiasi motivo.
Per un inverter o un circuito raddrizzatore che utilizza SCR, può verificarsi un errore di commutazione per due motivi fondamentali.

Se un tiristore non si accende, il flusso di corrente non cambierà e il metodo di commutazione sarà inferiore. Allo stesso modo, se un tiristore non riesce a spegnersi, il flusso di corrente può commutare parzialmente verso il ramo successivo. Quindi anche questo è considerato un fallimento.

Differenza tra tecniche di commutazione naturale e di commutazione forzata

Le differenze tra commutazione naturale e commutazione forzata sono discusse di seguito.

Un tiristore può essere semplicemente chiamato un raddrizzatore controllato. Esistono diversi tipi di tiristori, che vengono utilizzati per la progettazione basata sull'elettronica di potenza progetti elettrici innovativi . Il processo di accensione del tiristore fornendo impulsi di attivazione al terminale di gate è chiamato trigger. Allo stesso modo, il processo di spegnimento del tiristore è chiamato commutazione. Spero che questo articolo fornisca brevi informazioni sulle diverse tecniche di commutazione del tiristore. Ulteriore assistenza tecnica verrà fornita in base ai commenti e alle domande nella sezione commenti di seguito.