Силовые полупроводниковые вентили

К полупроводниковым вентилям относятся элементы электрической цепи, через которые ток может протекать только в одном направлении.

Первичным полупроводниковым прибором является диод, имеющий всего два электрода: анод А и катод К, рис 2.1, а). Ток через диод VD может протекать только от анода к катоду (прямое направление), в обратном направлении диод тока не пропускает.

а) б)

Рис.2.1 Изображение неуправляемого вентиля (диода) а); управляемого вентиля (тиристора) б)

В идеальном диоде в прямом направлении сопротивление току равно нулю, а в обратном направлении - бесконечности. Из-за такого свойства вентиль – диод называют также нелинейным элементом электрической цепи, так как в прямом и обратном направлениях –его проводимость резко отличается. Значительно большими функциональными возможностями обладает вентиль с тремя электродами, см.рис.2.1,б).

Третий электрод, или управляющий электрод УЭ, выполняет функции управления проводимостью вентиля в прямом направлении. Вентиль с тремя электродами называется триодом или тиристором. Тиристор до подачи сигнала управления на управляющий электрод УЭ не проводит ток ни в прямом, ни в обратном направлениях. Полярность прямого напряжения на основных электродах показана без скобок, а обратного - в скобках, рис.2.1,б).

При появлении положительного (относительно катода) потенциала на управляющем электроде тиристор начинает проводить ток (открывается, если на аноде есть положительный потенциал относительно катода). Однако, если тиристор перешел в проводящее состояние (открылся), то сигнал управления может быть снят: проводящее состояние сохраняется. Поэтому для открытия тиристора может быть подан только короткий положительный импульс управления. Закрыть тиристор по управляющему воздействию невозможно. В закрытое состояние тиристор переходит только при условии, если прямой ток уменьшится практически до нуля (до некоторого малого тока, исчисляемого миллиамперами, и называемого током удержания ).

Если полупроводниковый вентиль может быть открыт по управляющему воздействию, но закрыт быть не может, то такой прибор называют не полностью управляемым. Тиристор является не полностью управляемым полупроводниковым прибором. На сегодняшний день разработаны модификации силовых тиристоров, обладающих полной управляемостью. Рассмотрим схему, в которой тиристор может выполнять функции ключевого элемента, рис.2.2,а).

а) б)

Рис.2.2 Схема работы тиристора в ключевом режиме а); схема включения тиристора с предварительно заряженным конденсатором

При постоянном положительном напряжении на аноде тиристор VS может быть открыт подачей на управляющий электрод УЭ импульса управления. После открытия тиристора его сопротивление становится равным нулю и через сопротивление R будет протекать постоянный ток . Значит тиристор выполнил функцию замыкателя цепи – то есть функцию замыкания ключа.

Однако, разомкнуть такой ключ по управляющему воздействию оказывается уже невозможно. Тиристор может закрыться, если хотя бы на малое время уменьшить анодный ток до значения тока удержания (практически до нуля) и сохранить малый ток в течение времени удержания.

Ток удержания обычно составляет миллиамперы, а время удержания – миллисекунды. На рис.2.2,б) изображена условно схема, на которой для запирания тиристора VS используется предварительно заряженный конденсатор С. При подключении цепи конденсатора происходит запирание тиристора VS встречным напряжением предварительно заряженного конденсатора. К сопротивлению нагрузки R при этом оказывается приложенным суммарное напряжение . Ток нагрузки через конденсатор приводит к его быстрой перезарядке с полярностью, указанной в скобках. При равенстве ток через конденсатор протекать уже не может, а тиристор к концу перезарядки будет уже закрыт. Время перезарадки емкости определяется постоянной времени (нужно помнить, что емкость С входит в формулу в фарадах, а реальные емкости имеют обычно значение микрофарад). Таким образом, постоянная времени как раз и будет определять те миллисекунды, которые необходимы для закрытия тиристора.

Из анализа вышеизложенных процессов следует, что тиристор может выполнять функцию практически мгновенного замыкания (при отпирании тиристора) и мгновенного размыкания (при запирании тиристора) цепи тока нагрузки. Так как при замыкании-размыкании нет видимого на глаз гальванического разрыва цепи, то такую коммутацию называют бесконтактной, а тиристор называют бесконтактным коммутационным аппаратом. Вспомогательную схему с конденсатором для закрытия тиристора (размыкания цепи постоянного тока) называют схемой искусственной коммутации.

Если тиристор используется в цепи переменного тока, то его запирание происходит встречным напряжением сети. Действительно, в полупериод переменного напряжения, когда положительная полуволна этого напряжения приложена к аноду, тиристор может быть открыт импульсом управления в любой момент положительного полупериода. Однако, в отрицательном полупериоде происходит естественное закрытие тиристора действием встречного напряжения («плюс» напряжения оказывается на катоде, а «минус» на аноде, но в обратном направлении ток протекать не может). Поэтому такую коммутацию, т.е. закрытие тиристора встречным анодным напряжением, называют естественной. Следует заметить, что при естественной коммутации тиристор запирается не действием встречного напряжения, а в момент уменьшения прямого тока до тока удержания, то есть практически до нуля. Это происходит несколько позже момента появления встречного напряжения.