Tyristorin kommutointimenetelmät tehoelektroniikassa

Suurin osa muunninlaitteet ja kytkinmoodin virtalähteet tehoelektroniikka komponentit, kuten tyristorit, MOSFET ja muut tehopuolijohdelaitteet suurtaajuuskytkentäoperaatioihin suuritehoisilla nimellisarvoilla. Harkitse tiristoreita, joita käytämme hyvin usein bistabiilina kytkiminä useissa sovelluksissa. Nämä tyristorit käyttävät kytkimiä, jotka oli kytkettävä päälle ja pois päältä. Tyristoreiden kytkemiseksi päälle jotkut tyristorit käynnistävät menetelmät, joita kutsutaan tyristorien laukaisumenetelmiksi. Vastaavasti tyristorien sammuttamiseksi on olemassa menetelmiä, joita kutsutaan tyristorien kommutointimenetelmiksi tai -tekniikoiksi. Ennen kuin keskustelemme tyristorikommutointitekniikoista, meidän on tiedettävä jotain tyristorien perusteista, kuten tyristori, tyristoritoiminta, erityyppiset tyristorit ja tyristorien käynnistysmenetelmät.

Mikä on tyristori?

Kaksi tai neljä lyijypuolijohdelaitetta, jotka koostuvat neljästä kerroksesta vuorotellen N- ja P-tyyppisiä materiaaleja, kutsutaan tyristoreiksi. Näitä käytetään yleensä kaksikestävinä kytkiminä, jotka johtavat vain, kun tyristorin hilapääte laukeaa. Tyristoria kutsutaan myös piiohjatuksi tasasuuntaajaksi tai SCR: ksi.

Tyristori

Mikä on SCR: n kommutaatio?

Kommutointi ei ole muuta kuin SCR: n sammutusmenetelmä. Se on yksi menetelmä, jolla SCR tai tyristori tuodaan ON-tilasta OFF-tilaan. Tiedämme, että SCR voidaan aktivoida käyttämällä porttisignaalia kohti SCR: ää, kun se on eteenpäin suuntautuvassa esijännityksessä. Mutta SCR: n on katkaistava virta, kun sitä tarvitaan virranhallintaan muuten.

SCR: n kommutointipiiri

Kun SCR liikkuu eteenpäin johtamisen tilassa, sen porttipääte menettää hallinnan. Tätä varten tyristorin / SCR: n sammuttamiseksi tulisi käyttää jotakin lisäpiiriä. Joten tätä lisäpiiriä kutsutaan kommutointipiiriksi.

Joten tätä termiä käytetään pääasiassa virran siirtämiseen aneista toiseen. Kommutointipiiri vähentää pääasiassa eteenpäin suuntautuvan virran nollaan tyristorin sammuttamiseksi. Joten seuraavien ehtojen tulisi olla tyydyttäviä tyristorin sammuttamiseksi sen johtamisen jälkeen.

• Tyristorin tai SCR: n eteenpäin suuntautuva virta tulisi pienentää nollaan muuten pitovirran alapuolella.
• SCR: n / tyristorin yli tulisi antaa riittävä käänteinen jännite eteenpäin estävän tilanteen palauttamiseksi.

Kun SCR on kytketty pois päältä vähentämällä eteenpäin suuntautuva virta nollaksi, eri kerroksissa on ylimääräisiä varauksen kantajia. Tyristorin eteenpäin estävän tilan palauttamiseksi nämä ylimääräiset varauksen kantajat tulisi yhdistää. Joten tämä rekombinaatiomenetelmä voi nopeutua soveltamalla käänteistä jännitettä tyristorin yli.

Tyristorin kommutointimenetelmät

Kuten olemme tutkineet edellä, tyristori voidaan kytkeä päälle laukaisemalla hilapää, jolla on matalajännitteinen lyhytkestoinen pulssi. Käynnistyksen jälkeen se toimii jatkuvasti, kunnes tyristori on esijännitetty taaksepäin tai kuormitusvirta putoaa nollaan. Tämä tyristorien jatkuva johtuminen aiheuttaa ongelmia joissakin sovelluksissa. Tyristorin sammuttamiseen käytettyä prosessia kutsutaan kommutointiksi. Kommutointiprosessin myötä tyristorin toimintamoodi muutetaan eteenpäin johtavasta moodista eteenpäin estävään tilaan. Joten tyristorin kommutointimenetelmiä tai tyristorikommutointitekniikoita käytetään sammuttamiseen.

Tyristoreiden kommutointitekniikat luokitellaan kahteen tyyppiin:

• Luonnollinen kommutaatio
• Pakotettu kommutaatio

Luonnollinen kommutaatio

Yleensä, jos tarkastelemme vaihtovirran syöttöä, virta kulkee nollan ylityslinjan läpi samalla kun se kulkee positiivisesta huippusta negatiiviseen huippuun. Tällöin laitteen yli ilmestyy samanaikaisesti käänteinen jännite, joka sammuttaa tyristorin välittömästi. Tätä prosessia kutsutaan luonnolliseksi kommutoinniksi, koska tyristori kytketään pois päältä luonnollisesti käyttämättä mitään ulkoisia komponentteja tai virtapiiriä tai syöttöä kommutointitarkoituksiin.

Luonnollista kommutointia voidaan havaita vaihtojännitesäätimissä, vaiheohjatuissa tasasuuntaajissa ja syklomuuntimissa.

Pakotettu kommutaatio

Tyristori voidaan kytkeä pois päältä kääntämällä esijännitys SCR: ään tai käyttämällä aktiivisia tai passiivisia komponentteja. Tyristorin virta voidaan pienentää pitovirran arvon alapuolelle. Koska tyristori kytketään pois päältä väkisin, sitä kutsutaan pakotetuksi kommutointiprosessiksi. peruselektroniikka ja sähkökomponentit kuten induktanssia ja kapasitanssia käytetään kommutointielementteinä kommutointitarkoituksiin.

Pakotettua kommutointia voidaan havaita DC-syöttöä käytettäessä, joten sitä kutsutaan myös DC-kommutointiksi. Pakotettua kommutointiprosessia varten käytettyä ulkoista piiriä kutsutaan kommutointipiiriksi ja tässä piirissä käytettyjä elementtejä kutsutaan kommutointielementeiksi.

Pakotettujen kommutointimenetelmien luokitus

Tyristoreiden kommutointimenetelmien luokittelua käsitellään tässä. Sen luokittelu tapahtuu pääasiassa sen mukaan, onko kommutointipulssi jännitepulssin virtapulssi, onko se kytketty sarjaan / rinnakkain kommutoitavan SCR: n kautta, annetaanko signaali apu- tai päätyristorin kautta, onko kommutointipiiri ladataan apu- tai päälähteestä. Taajuusmuuttajien luokitus voidaan tehdä pääasiassa kommutointisignaalien sijainnin perusteella. Pakotettu kommutointi voidaan luokitella eri menetelmiin seuraavasti:

• Luokka A: Itsekytketty resonoivalla kuormalla
• Luokka B: Itsekytketty LC-piirillä
• Luokka C: Cor L-C kytketty toisella kuormaa kantavalla SCR: llä
• Luokka D: C tai L-C kytketty apu-SCR: llä
• Luokka E: ulkoinen pulssilähde kommutointia varten
• Luokka F: Vaihtovirtajohto

Luokka A: Itsekomutoitu resonoivalla kuormalla

Luokka A on yksi usein käytetyistä tiristoreiden kommutointitekniikoista. Jos tyristori laukaistaan ​​tai kytketään päälle, anodivirta virtaa lataamalla kondensaattori C piste positiivisena. Toisen asteen alivaimennetun piirin muodostaa induktori tai vaihtovastus , kondensaattori ja vastus. Jos virta muodostuu SCR: n kautta ja suorittaa puolisyklin loppuun, induktorivirta virtaa SCR: n läpi päinvastaisessa suunnassa, joka sammuttaa tyristorin.

Luokan A tyristorin kommutointimenetelmä

Tyristorin kommutaation tai tyristorin sammuttamisen jälkeen kondensaattori alkaa purkautua huippuarvostaan ​​vastuksen läpi eksponentiaalisesti. Tyristori on käänteisessä esijännitetilassa, kunnes kondensaattorin jännite palaa syöttöjännitetasolle.

Luokka B: Itsekytketty L-C-piirillä

Suurin ero luokan A ja luokan B tyristorikommutointimenetelmien välillä on se, että LC on kytketty sarjaan luokan A tyristorin kanssa, kun taas rinnakkain luokan B tyristorin kanssa. Ennen SCR: n käynnistämistä kondensaattori ladataan (piste osoittaa positiivinen). Jos SCR laukaistaan ​​tai sille annetaan laukaisupulssi, tuloksena olevassa virrassa on kaksi komponenttia.

Luokan B tyristorin kommutointimenetelmä

R-L-kuorman läpi kulkeva jatkuva kuormitusvirta varmistetaan suurella reaktanssilla, joka on kytketty sarjaan kuorman kanssa, joka on kiinnitetty vapaasti pyörivällä diodilla. Jos sinimuotoinen virta virtaa resonanssi L-C-piirin läpi, kondensaattori C ladataan pisteellä negatiivisena puolisyklin lopussa.

SCR: n läpi kulkeva kokonaisvirta muuttuu nollaksi SCR: n läpi kulkevalla vastavirralla vastakkain kuormavirtaa pienellä osalla negatiivista heilahtelua. Jos resonanssipiirivirta tai vastavirta nousee vain suuremmaksi kuin kuormavirta, SCR kytketään pois päältä.

Luokka C: C tai L-C, vaihdettu toisella kuorman kantavalla SCR: llä

Edellä olevissa tyristorikommutointimenetelmissä havaitsimme vain yhden SCR: n, mutta näissä tyristorin luokan C kommutointitekniikoissa on kaksi SCR: ää. Yksi SCR pidetään päätyyristorina ja toinen aputyristorina. Tässä luokituksessa molemmat voivat toimia päävirtakytkiminä, jotka kuljettavat kuormavirtaa, ja ne voidaan suunnitella neljällä SCR: llä kuormituksella kondensaattorin poikki käyttämällä virtalähdettä integroidun muuntimen syöttämiseen.

Luokan C tyristorin kommutointimenetelmä

Jos tyristori T2 laukaistaan, kondensaattori latautuu. Jos tyristori T1 laukaistaan, kondensaattori purkautuu ja tämä C: n purkausvirta vastustaa kuormavirran virtausta T2: ssa, kun kondensaattori kytketään T2: n yli T1: n kautta.

Luokka D: L-C tai C, kytketty apu-SCR: llä

Luokan C ja D tyristorikommutointimenetelmät voidaan erottaa luokan D kuormavirrasta: vain yksi SCR: stä kuljettaa kuormavirtaa, kun taas toinen toimii aputyristorina, kun taas luokassa C molemmat SCR: t kantavat kuormavirtaa. Aputyristori koostuu anodissa olevasta vastuksesta, jonka vastus on noin kymmenen kertaa kuormitusresistanssi.

Luokan D tyyppi

Käynnistämällä Ta (aputyristori) kondensaattori ladataan syöttöjännitteeseen ja sitten Ta sammuu. Mahdollinen ylijännite, johtuen tulojohtojen huomattavasta induktanssista, purkautuu diodi-induktorikuormituspiirin kautta.

Jos Tm (päätyristori) laukaistaan, virta virtaa kahdella polulla: kommutointivirta kulkee C-Tm-L-D-polun läpi ja kuormavirta kulkee kuorman läpi. Jos kondensaattorin varaus käännetään päinvastaiseksi ja pidetään sillä tasolla diodilla ja jos Ta laukaistaan ​​uudelleen, kondensaattorin poikki oleva jännite ilmestyy Tm: n yli Ta: n kautta. Täten päätyristori Tm kytketään pois päältä.

Luokka E: Ulkoinen pulssilähde kommutointia varten

Luokan E tyristorikommutointitekniikoissa muuntaja ei voi kyllästyä (koska sillä on riittävä rauta- ja ilmarako) ja pystyy kantamaan kuormavirtaa pienellä jännitehäviöllä syöttöjännitteeseen verrattuna. Jos tyristori T laukeaa, virta virtaa kuormitus- ja pulssimuuntajan läpi.

Luokan E tyyppi

Ulkoista pulssigeneraattoria käytetään tuottamaan positiivinen pulssi, joka syötetään tyristorin katodiin pulssimuuntajan kautta. Kondensaattori C ladataan noin 1 V: iin ja sen impedanssin katsotaan olevan nolla sammutuspulssin keston ajan. Tyristorin poikki oleva jännite on päinvastainen sähkömuuntaja joka syöttää päinvastaisen palautumisvirran ja vaaditun sammutusajan pitää negatiivisen jännitteen.

Luokka F: Vaihtovirtajohto

Luokan F tyristorikommutointitekniikoissa käytetään vaihtojännitettä syöttöön ja tämän syötön positiivisen puolijakson aikana kuormavirta virtaa. Jos kuorma on erittäin induktiivinen, virta pysyy, kunnes induktiiviseen kuormaan varastoitu energia haihtuu. Negatiivisen puolijakson aikana, kun kuormitusvirta muuttuu nollaksi, tyristori sammuu. Jos jännitettä on olemassa laitteen nimellisen sammutusajan ajan, niin lähtevän tyristorin jännitteen negatiivinen napaisuus sammuttaa sen.

Luokan F tyyppi

Tässä puolisyklin keston on oltava suurempi kuin tiristorin sammutusaika. Tämä kommutointiprosessi on samanlainen kuin kolmivaiheisen muuntimen käsite. Tarkastellaanpa, ensisijaisesti T1 ja T11 johtavat muuntimen laukaisukulmalla, joka on yhtä suuri kuin 60 astetta ja toimii jatkuvassa johtamistilassa erittäin induktiivisella kuormalla.

Jos tyristorit T2 ja T22 laukaistaan, saapuvien laitteiden virta ei heti nouse kuormitusvirran tasolle. Jos saapuvien tyristorien läpi kulkeva virta saavuttaa kuormitusvirran tason, lähtevien tyristorien kommutointiprosessi aloitetaan. Tätä tyristorin käänteistä esijännitettä tulisi jatkaa, kunnes eteenpäin estävä tila saavutetaan.

Tyristorin kommutointimenetelmien vika

Tyristorin kommutointivika johtuu pääasiassa siitä, että ne ovat kommutoituja linjassa ja jännitteen pudotus voi johtaa riittämätönyn kommutointijännitteeseen, mikä aiheuttaa vian seuraavan tiristorin sytyttyä. Joten kommutointivirhe johtuu useista syistä, joista joitain käsitellään jäljempänä.
Tyristorit tarjoavat melko hitaasti paluuaikaa taaksepäin, joten päävirta voi tulla eteenpäin. Tämä voi tarkoittaa 'vikavirtaa', joka ilmestyy syklisesti, kun siihen liittyvä tehohäviö tulee näkyviin SCR-vian yhteydessä.

Sähköpiirissä kommutointi tapahtuu periaatteessa, kun virtavirta virtaa piirin haarasta toiseen. Kommutointivirhe tapahtuu pääasiassa sen jälkeen, kun polun muutos epäonnistuu jostain syystä.
SCR: itä käyttävässä invertterissä tai tasasuuntaajapiirissä kommutointivika voi tapahtua kahdesta perussyystä.

Jos tyristori ei käynnisty, virran virtaus ei kytkeydy ja kommutointimenetelmä jää alle. Vastaavasti, jos tyristori ei pääse sammumaan, virran virta voi osittain vaihtaa seuraavaa haaraa kohti. Joten tätä pidetään myös epäonnistumisena.

Ero luonnollisen kommutaation ja pakotetun kommutointitekniikan välillä

Luonnollisen ja pakotetun kommutaation välisiä eroja käsitellään jäljempänä.

Tyristoria voidaan yksinkertaisesti kutsua ohjatuksi tasasuuntaajaksi. Tyristoreita on erityyppisiä, joita käytetään tehoelektroniikkaan perustuvien suunnittelussa innovatiiviset sähköprojektit . Tyristorin käynnistysprosessia tarjoamalla laukaisupulsseja portin päätelaitteelle kutsutaan laukaisuksi. Samoin tyristorin sammuttamisprosessia kutsutaan kommutointiksi. Toivottavasti tämä artikkeli antaa lyhyttä tietoa tyristorin erilaisista kommutointitekniikoista. Lisäteknistä apua tarjotaan kommenttisi ja kyselysi perusteella alla olevassa kommenttiosassa.