Phương pháp giao hoán Thyristor trong Điện tử Công suất

Hầu hết các thiết bị chuyển đổi và sử dụng nguồn điện ở chế độ chuyển đổi năng lượng điện các thành phần như thyristor, MOSFET và các thiết bị bán dẫn công suất khác cho các hoạt động chuyển mạch tần số cao ở xếp hạng công suất cao. Hãy xem xét các thyristor mà chúng tôi sử dụng rất thường xuyên như các công tắc có thể thay đổi được trong một số ứng dụng. Các thyristor này sử dụng các công tắc cần thiết để bật và tắt. Để bật thyristor, có một số phương pháp bật thyristor được gọi là phương pháp kích hoạt thyristor. Tương tự, để đóng cắt các thyristor, có các phương pháp được gọi là phương pháp hoặc kỹ thuật hoán đổi thyristor. Trước khi thảo luận về các kỹ thuật chuyển đổi thyristor, chúng ta phải biết một số điều cơ bản về thyristor như thyristor, hoạt động của thyristor, các loại thyristor khác nhau và phương pháp bật thyristor.

Thyristor là gì?

Hai đến bốn linh kiện bán dẫn bao gồm bốn lớp vật liệu loại N và P xen kẽ được gọi là thyristor. Chúng thường được sử dụng như các công tắc ổn định hai chiều sẽ chỉ dẫn khi đầu cuối cổng của thyristor được kích hoạt. Một thyristor còn được gọi là bộ chỉnh lưu điều khiển silicon hoặc SCR.

Thyristor

Giao hoán của SCR là gì?

Giao hoán không là gì ngoài phương pháp TẮT của một SCR. Đây là một phương pháp được sử dụng để đưa SCR hoặc thyristor từ trạng thái BẬT sang trạng thái TẮT. Chúng ta biết rằng một SCR có thể được kích hoạt bằng cách sử dụng tín hiệu cổng hướng tới một SCR khi nó ở trong xu hướng chuyển tiếp. Nhưng SCR cần phải tắt khi cần thiết để kiểm soát nguồn điện, nếu không điều hòa nguồn.

Mạch giao hoán cho SCR

Khi một SCR di chuyển trong chế độ dẫn chuyển tiếp, thì thiết bị đầu cuối cổng của nó sẽ mất quyền kiểm soát. Đối với điều đó, một số mạch bổ sung nên được sử dụng để tắt thyristor / SCR. Vì vậy, mạch bổ sung này được gọi là mạch giao hoán.

Vì vậy, thuật ngữ này chủ yếu được sử dụng để chuyển dòng điện từ nơi này sang nơi khác. Mạch chuyển mạch chủ yếu giảm dòng thuận về 0 để TẮT thyristor. Vì vậy, các điều kiện sau đây phải được thỏa mãn để tắt thyristor khi nó đang dẫn.

• Dòng chuyển tiếp của thyristor hoặc SCR phải được giảm xuống 0 nếu không thì dưới mức dòng giữ.
• Một điện áp ngược dồi dào phải được cung cấp trên SCR / thyristor để phục hồi tình trạng chặn thuận của nó.

Khi SCR được TẮT bằng cách giảm dòng chuyển tiếp về 0, thì sẽ tồn tại các hạt mang điện tích thặng dư trong các lớp khác nhau. Để khôi phục tình trạng chặn phía trước của thyristor, các hạt mang điện tích thặng dư này phải được kết hợp lại. Vì vậy, phương pháp tái tổ hợp này có thể tăng tốc độ bằng cách đặt một điện áp ngược qua thyristor.

Phương pháp giao hoán Thyristor

Như chúng ta đã nghiên cứu ở trên, một thyristor có thể được bật bằng cách kích hoạt một đầu cuối cổng có xung thời gian ngắn điện áp thấp. Nhưng sau khi bật, nó sẽ dẫn liên tục cho đến khi thyristor bị phân cực ngược hoặc dòng tải giảm về không. Sự dẫn điện liên tục này của các thyristor gây ra sự cố trong một số ứng dụng. Quá trình được sử dụng để tắt thyristor được gọi là hoán vị. Bằng quá trình chuyển mạch, chế độ hoạt động của thyristor được thay đổi từ chế độ dẫn chuyển tiếp sang chế độ chặn chuyển tiếp. Vì vậy, các phương pháp giao hoán thyristor hoặc kỹ thuật chuyển đổi thyristor được sử dụng để tắt.

Các kỹ thuật giao hoán của thyristor được phân thành hai loại:

• Giao hoán tự nhiên
• Giao hoán cưỡng bức

Giao hoán tự nhiên

Nói chung, nếu chúng ta xem xét nguồn cung cấp AC, dòng điện sẽ chạy qua đường cắt 0 trong khi đi từ đỉnh dương sang đỉnh âm. Do đó, một điện áp ngược sẽ đồng thời xuất hiện trên thiết bị, điều này sẽ làm tắt thyristor ngay lập tức. Quá trình này được gọi là chuyển mạch tự nhiên vì thyristor được tắt tự nhiên mà không sử dụng bất kỳ thành phần bên ngoài hoặc mạch hoặc nguồn cung cấp nào cho mục đích chuyển mạch.

Sự chuyển đổi tự nhiên có thể được quan sát thấy trong bộ điều khiển điện áp xoay chiều, bộ chỉnh lưu điều khiển pha và bộ chuyển đổi xyclo.

Giao hoán cưỡng bức

Thyristor có thể được tắt bằng cách phân cực ngược SCR hoặc bằng cách sử dụng các thành phần tích cực hoặc thụ động. Dòng điện Thyristor có thể được giảm xuống giá trị dưới giá trị của dòng điện giữ. Vì thyristor bị tắt cưỡng bức, nó được gọi là quá trình chuyển mạch cưỡng bức. Các điện tử cơ bản và linh kiện điện chẳng hạn như điện cảm và điện dung được sử dụng như các yếu tố giao hoán cho các mục đích giao hoán.

Giao hoán cưỡng bức có thể được quan sát trong khi sử dụng nguồn điện một chiều, do đó nó còn được gọi là giao hoán DC. Mạch ngoài dùng cho quá trình giao hoán cưỡng bức được gọi là mạch giao hoán và các phần tử dùng trong mạch này được gọi là phần tử giao hoán.

Phân loại các phương pháp giao hoán cưỡng bức

Ở đây, phân loại phương pháp giao hoán thyristor được thảo luận dưới đây. Sự phân loại của nó chủ yếu được thực hiện tùy thuộc vào việc xung chuyển mạch có phải là xung dòng điện của xung điện áp hay không, liệu nó có được kết nối nối tiếp / song song qua SCR để được chuyển mạch hay không, cho dù tín hiệu được đưa qua một thyristor phụ hay chính, cho dù mạch giao hoán được tích điện từ nguồn phụ hoặc nguồn chính. Việc phân loại biến tần chủ yếu có thể được thực hiện dựa trên vị trí của tín hiệu chuyển mạch. Giao hoán cưỡng bức có thể được phân loại thành các phương pháp khác nhau như sau:

• Loại A: Tự chuyển mạch bởi một tải cộng hưởng
• Lớp B: Tự giao hoán bởi một mạch LC
• Lớp C: Cor L-C được chuyển đổi bởi một SCR mang tải khác
• Loại D: C hoặc L-C được chuyển đổi bằng SCR phụ trợ
• Lớp E: Nguồn xung bên ngoài để chuyển mạch
• Lớp F: Giao hoán dòng AC

Loại A: Tự thay thế bởi một tải cộng hưởng

Lớp A là một trong những kỹ thuật hoán đổi thyristor thường được sử dụng. Nếu thyristor được kích hoạt hoặc bật, thì dòng điện cực dương sẽ chạy bằng cách sạc tụ điện C với dấu chấm là tích cực. Mạch giảm ẩm bậc hai được hình thành bởi cuộn cảm hoặc điện trở AC , tụ điện và điện trở. Nếu dòng điện tích tụ qua SCR và hoàn thành nửa chu kỳ, thì dòng điện dẫn sẽ chạy qua SCR theo chiều ngược lại sẽ làm tắt thyristor.

Phương pháp giao hoán Thyristor Lớp A

Sau khi chuyển đổi thyristor hoặc tắt thyristor, tụ điện sẽ bắt đầu phóng điện từ giá trị đỉnh của nó qua điện trở theo cách thức hàm mũ. Thyristor sẽ ở trạng thái phân cực ngược cho đến khi điện áp tụ điện trở lại mức điện áp cung cấp.

Loại B: Tự thay thế bằng mạch L-C

Sự khác biệt chính giữa phương pháp hoán đổi thyristor lớp A và lớp B là LC được kết nối nối tiếp với thyristor ở lớp A, trong khi song song với thyristor ở lớp B. Trước khi kích hoạt trên SCR, tụ điện được sạc lên (dấu chấm chỉ ra tích cực). Nếu SCR được kích hoạt hoặc cho một xung kích hoạt, thì dòng điện tạo thành có hai thành phần.

Phương pháp giao hoán Thyristor Lớp B

Dòng tải không đổi chạy qua tải R-L được đảm bảo bằng điện kháng lớn mắc nối tiếp với tải được kẹp bằng điốt tự do. Nếu dòng điện hình sin chạy qua đoạn mạch L-C cộng hưởng thì tụ điện C được tích điện có dấu chấm là cực âm ở cuối chu kỳ.

Tổng dòng điện chạy qua SCR trở thành 0 với dòng điện ngược chạy qua SCR ngược dòng tải trong một phần nhỏ của dao động âm. Nếu dòng điện mạch cộng hưởng hoặc dòng điện ngược trở nên chỉ lớn hơn dòng tải, thì SCR sẽ bị TẮT.

Loại C: C hoặc L-C được chuyển đổi bởi một SCR mang tải khác

Trong các phương pháp giao hoán thyristor ở trên, chúng ta chỉ quan sát thấy một SCR nhưng trong các kỹ thuật giao hoán cấp C này của thyristor, sẽ có hai SCR. Một SCR được coi là thyristor chính và SCR còn lại là thyristor phụ. Trong phân loại này, cả hai đều có thể hoạt động như các SCR chính mang dòng tải và chúng có thể được thiết kế với bốn SCR có tải qua tụ điện bằng cách sử dụng nguồn dòng để cung cấp cho bộ chuyển đổi tích hợp.

Phương pháp giao hoán Thyristor lớp C

Nếu thyristor T2 được kích hoạt, thì tụ điện sẽ được sạc. Nếu thyristor T1 được kích hoạt, thì tụ điện sẽ phóng điện và dòng phóng điện này của C sẽ chống lại dòng tải của dòng điện trong T2 khi tụ điện được chuyển từ T2 qua T1.

Loại D: L-C hoặc C được chuyển đổi bằng SCR phụ trợ

Phương thức hoán chuyển thyristor lớp C và lớp D có thể được phân biệt với dòng tải trong lớp D: chỉ một trong các SCR sẽ mang dòng tải trong khi SCR còn lại hoạt động như một thyristor phụ trong khi ở lớp C cả hai SCR sẽ mang dòng tải. Thyristor phụ bao gồm một điện trở trong cực dương của nó có điện trở xấp xỉ mười lần điện trở tải.

Loại D

Bằng cách kích hoạt Ta (thyristor phụ), tụ điện được sạc để cung cấp điện áp và sau đó Ta sẽ TẮT. Điện áp phụ nếu có, do điện cảm đáng kể trong các đường đầu vào sẽ được phóng qua mạch tải diode-cuộn cảm.

Nếu Tm (thyristor chính) được kích hoạt, thì dòng điện sẽ chạy theo hai con đường: dòng điện giao hoán sẽ chạy qua con đường C-Tm-L-D, và dòng tải sẽ chạy qua tải. Nếu điện tích trên tụ điện được đảo ngược và giữ ở mức đó bằng cách sử dụng điốt và nếu Ta được kích hoạt lại, thì điện áp trên tụ sẽ xuất hiện trên Tm qua Ta. Như vậy, Tm thyristor chính sẽ bị tắt.

Lớp E: Nguồn xung bên ngoài để giao hoán

Đối với kỹ thuật chuyển mạch thyristor loại E, máy biến áp không thể bão hòa (vì nó có đủ sắt và khe hở không khí) và có khả năng mang dòng tải với điện áp giảm nhỏ so với điện áp cung cấp. Nếu thyristor T được kích hoạt, thì dòng điện sẽ chạy qua tải và biến áp xung.

Loại E

Máy phát xung bên ngoài được sử dụng để tạo ra xung dương được cung cấp cho cực âm của thyristor thông qua một máy biến áp xung. Tụ điện C được tích điện đến khoảng 1v và nó được coi là không có trở kháng trong khoảng thời gian xung tắt. Điện áp trên thyristor được đảo ngược bởi xung từ biến điện cung cấp dòng điện phục hồi ngược và trong thời gian tắt cần thiết, nó giữ điện áp âm.

Lớp F: Dòng AC giao hoán

Trong kỹ thuật chuyển mạch thyristor lớp F, điện áp xoay chiều được sử dụng để cung cấp và trong nửa chu kỳ dương của nguồn cung cấp này, dòng tải sẽ chạy. Nếu tải có tính cảm ứng cao, thì dòng điện sẽ duy trì cho đến khi năng lượng tích trữ trong tải cảm ứng bị tiêu tán. Trong nửa chu kỳ âm khi dòng tải trở về 0, khi đó thyristor sẽ tắt. Nếu điện áp tồn tại trong một khoảng thời gian của thời gian tắt danh định của thiết bị, thì cực tính âm của điện áp trên thyristor đi ra sẽ tắt thiết bị.

Loại F

Ở đây, thời gian của nửa chu kỳ phải lớn hơn thời gian tắt của thyristor. Quá trình giao hoán này tương tự như khái niệm của bộ biến đổi ba pha. Chúng ta hãy xem xét, chủ yếu T1 và T11 đang dẫn với góc kích hoạt của bộ biến đổi, bằng 60 độ và đang hoạt động ở chế độ dẫn liên tục với tải cảm ứng cao.

Nếu các thyristor T2 và T22 được kích hoạt, thì ngay lập tức dòng điện qua các thiết bị đầu vào sẽ không tăng lên mức dòng tải. Nếu dòng điện qua các thyristor đầu vào đạt đến mức dòng tải, thì quá trình chuyển mạch của các thyristor đi ra sẽ được bắt đầu. Điện áp phân cực ngược này của thyristor nên được tiếp tục cho đến khi đạt được trạng thái chặn thuận.

Phương thức giao hoán Thyristor bị lỗi

Sự cố chuyển mạch của thyristor chủ yếu xảy ra do chúng được chuyển mạch và sụt áp có thể dẫn đến điện áp không đủ để chuyển mạch, do đó gây ra lỗi khi thyristor sau được kích hoạt. Vì vậy, lỗi giao hoán xảy ra do một số lý do, một số trong số đó được thảo luận dưới đây.
Thyristor cung cấp thời gian phục hồi ngược khá chậm nên dòng điện ngược chính có thể cung cấp trong dẫn chuyển tiếp. Điều này có thể biểu thị “dòng điện sự cố”, xuất hiện một cách tuần hoàn bởi sự tiêu tán công suất liên quan xuất hiện khi SCR bị lỗi.

Trong một mạch điện, sự giao hoán về cơ bản là khi dòng điện chạy từ nhánh này sang nhánh khác của mạch. Lỗi giao hoán chủ yếu xảy ra khi việc thay đổi đường dẫn không thành công vì bất kỳ lý do gì.
Đối với biến tần hoặc mạch chỉnh lưu sử dụng SCR, lỗi chuyển mạch có thể xảy ra vì hai lý do cơ bản.

Nếu một thyristor không bật, thì dòng điện sẽ không chuyển đổi và phương pháp chuyển mạch sẽ bị thiếu. Tương tự, nếu một thyristor bị thiếu để tắt, thì dòng điện có thể đổi hướng một phần về phía nhánh tiếp theo. Vì vậy đây cũng được coi là một thất bại.

Sự khác biệt giữa Kỹ thuật Giao hoán Tự nhiên và Giao hoán Cưỡng bức

Sự khác biệt giữa giao hoán tự nhiên và giao hoán cưỡng bức được thảo luận dưới đây.

Thyristor có thể được gọi đơn giản là một bộ chỉnh lưu có điều khiển. Có nhiều loại thyristor khác nhau, được sử dụng để thiết kế điện tử công suất dự án điện sáng tạo . Quá trình bật thyristor bằng cách cung cấp xung kích hoạt cho đầu cuối cổng được gọi là kích hoạt. Tương tự, quá trình tắt thyristor được gọi là quá trình giao hoán. Hy vọng bài viết này cung cấp thông tin ngắn gọn về các kỹ thuật giao hoán khác nhau của thyristor. Hỗ trợ kỹ thuật thêm sẽ được cung cấp dựa trên nhận xét và thắc mắc của bạn trong phần bình luận bên dưới.