Главная » Статьи » Инженерная информация » Физические принципы

Драйверы для тиристоров

Несмотря на то, что технологии IGBT предоставляют большие возможности управления выходными током и напряжением преобразователей частоты, эти возможности оказываются избыточными для более простых задач и ведут к увеличению стоимости изделий.

В устройствах плавного пуска (софт-стартерах) и тиристорных преобразователях частоты применяются силовые тиристоры, применение которых позволяет строить регуляторы напряжения и инверторы тока. Хотя форма выходного тока при применении тиристоров оказывается более далекой от синусоидальной, применение тиристоров позволяет существенно снизить габариты и стоимость изделий.

Так же как и при использовании IGBT, для управления тиристорами необходимо использовать соответствующие драйверы.

Драйверная цепь

Связь между электронными управляющими компонентами преобразователя и тиристорами обеспечивается драйвером (драйверной цепью). Назначение драйвера - генерация импульсов тока, подходящих для управления тиристорами, в частота, фазовая длительность, последовательность и т.п. этих импульсов задается сигналами управляющей электроники. Поскольку тиристоры в цепях преобразователей обычно имеют различные потенциалы (с разницей в несколько сотен вольт), выходы драйвера должны быть изолированы один от другого. Это достигается применением импульсных трансформаторов. Схема с импульсным трансформатором приведена на Рисунке 1а. Рисунок 1b показывает эквивалентную цепь, а на Рисунке 1с изображен типичный управляющий сигнал. 
Thyristor driver circuitРисунок 1. а) Цепь драйвера; b) Эквивалентная цепь; с) Управляющий сигнал
 
Важным является то, что положительные включающие импульсы исключаются, если тиристор включен в обратном направлении (потенциал катода больше, чем потенциал анода). Такие импульсы будут увеличивать ток утечки iR и следовательно потери на тиристоре в выключенном состоянии, что может привести к перегреву компонента.

Форма управляющего импульса

Для того, чтобы обеспечить надежное и безопасное включение тиристора при постепенном повышении тока, необходим включающий импульс с большой амплитудой тока (>= 5·IGT) и высокой скоростью нарастания (>= 1 А/мкс). Даже если ток нарастает в коммутируемой цепи относительно медленно, RC-элемент, подключенный параллельно для защиты от перенапряжений часто дает быстро нарастающий ток разряда через тиристор при каждом переключении. Таким образом, рекомендуется использовать достаточно сильные и ступенчатые управляющие импульсы. Это особенно важно для тиристоров, включенных параллельно или последовательно, поскольку сильные и ступенчатые управляющие импульсы значительно улучшат синхронность включения. Экспоненциальное увеличение тока определяется паразитной индуктивностью импульсного трансформатора LS: di/dt0 = VB/(LS1 + LS2), где VB - напряжение питания драйвера.

Для определения результирующего пикового тока для драйвера с известными величинами тока короткого замыкания (IK ~ VB/R) и напряжения без нагрузки (V0 VB), выходная характеристика, выведенная из этих значений нанесена диаграмму переключающих напряжения и тока для соответствующего тиристора. На Рисунке 2 эта диаграмма показана в линейной схеме для лучшего понимания.

Thyristor gate current/gate voltage characteristic

Рисунок 2. Зависимость ток затвора (IG) - напряжение затвора (VG) в линейной схеме; штрих-пунктирная выходная характеристика, V0 - напряжение без нагрузки и IK - ток короткого замыкания для линейного прибора; штрих-линейная выходная характеристика управляющий терминал-катод типичного тиристора.

Действительная входная характеристика для конкретного тиристора заданного типа лежит между ограничивающими характеристиками на диаграмме (штрих-пунктирная линия). Соответственно, возможные точки пересечения с выходной характеристикой драйверного устройства лежит между точками A и B. Точка пересечения S с выходной характеристикой драйверного устройства определяется исходя из данных управляющего импульса, например: 2,3 А; 10,7 В. Минимальная длительность управляющего импульса составляет 10 мкс. В большинстве случаев, приведенный в спецификации ток удержания та же дается с учетом этой длительности. Минимальный ток переключения и удержания снижаются для более длинных управляющих импульсов.

Для выпрямителей с отрицательным напряжением, тиристоры не могут быть включены, пока мгновенное значение напряжения на клеммах выше, чем отрицательное мгновенное значение напряжения. Поэтому, для обеспечения надежного и безопасного включения необходимы относительно длительные управляющие импульсы. Предельным случаем является преобразователь переменного тока с индуктивной нагрузкой. Из-за смещения фаз между током и напряжением требуется длительность импульса 180º-a, т.е. при 50 Гц, длительность управляющего импульса может составлять до 10 мс. Очевидно, что если сделать длительность управляющего импульса слишком длительной, то с учетом необходимой амплитуды импульса это приведет к существенным потерям на управление, которые войдут в полные потери на тиристоре. В дополнение к этому, максимальное выделение тепла на затворе не должно превышать предельного - PGM, иначе тиристор выйдет из строя. Учитывая это, даже тепловые потери, которые лежат существенно ниже этих максимальных величин все равно необходимо учитывать при выборе номинального тиристора. Например для приведенного выше примера PV = 2,3 А · 10,7 В = 24,6 Вт.

Более того, чем большая мощность требуется, тем более сложным становятся драйверные устройства. Для импульсного трансформатора увеличение длительности импульса ведет к увеличению зоны напряжение/время, т.е. требуется большее (а значит и более дорогое) драйверное устройство. Полезная длительность импульса управляющего сигнала определяется главной индуктивностью трансформатора.

Главная индуктивность трансформатора определяется магнитной проницаемостью материала сердечника и зависит от температуры. Часто задается зона напряжение/время Vdt [мкВс], которая может быть использована для вычисления максимальной длительности импульса. Рисунок 3 показывает типичную характеристике для напряжения трансформатора. Зона напряжение/время до точки насыщения Vdt = tp·Vp(av). Для показанного примера, 16 В · 20 мкс = 320 мкВс.

Output voltage characteristic for a pulse transformer

Рисунок 3. Типичная характеристика выходного напряжения для импульсного трансформатора (напряжение питания 24 В)

В реальных применениях управляющие импульсы длительностью более 1 мс редко достижимы. Из-за этого, в таких случаях часто используется последовательность коротких импульсов (с частотой 5...10 кГц) вместо одного длительного импульса. Если промежутки между импульсами вызывают некорректную работу, на первую последовательность импульсов накладывают вторую последовательность, для того, чтобы обеспечить длинный импульс без промежутков. В любом случае, трансформатор необходимо выбирать на длительность одного импульса в цепочке (например на длительность 70 мкс с частотой 7 кГц).

На рисунке 4 показаны несколько выходных цепей драйверных устройств с соответствующими формами импульсов. Как видно, диод включается между трансформатором и тиристором для подавления отрицательных управляющих импульсов, генерируемых отрицательным выбросом и с которыми тиристор не может справиться.

Output stage circuits and pulse shapes for drivers

Рисунок 4. Выходные каскады драйверных устройств и типичные формы импульсов

Драйверы шестипульсных мостов

Тиристоры в полностью управляемом шести-пульсном мосту имеют фазу проводимости длительностью 120º при выпрямлении. В случае постоянного тока или непрямой коммутации через обратный диод тиристора, однако, каждый участок тока раскладывается на два участка с расстоянием в 60º по отношению к времени запуска. В любом случае, когда устройство включено, оба плеча должны переключаться одновременно. Таким образом в 6-пульсном полностью контролируемом мостовом выпрямителе драйверные устройства должны быть способны обеспечить двойную последовательность со сдвигом в 60º.

Категория: Физические принципы | Добавил: SPetrakov (14.05.2015) | Автор: С.Н. Петраков W
Просмотров: 2394 | Рейтинг: 4.0/2
Всего комментариев: 0
avatar