Tại sao biến tần hiện đại sử dụng bóng bán dẫn, không phải thyristor

Các thyristor thuộc về các thiết bị bán dẫn của cấu trúc p-n-p-n, và trên thực tế, thuộc về một lớp đặc biệt bóng bán dẫn lưỡng cực, bốn lớp, ba (hoặc nhiều) thiết bị chuyển tiếp có độ dẫn xen kẽ.

Thiết bị thyristor cho phép nó hoạt động giống như một diode, nghĩa là truyền dòng điện chỉ theo một hướng.

Và cũng giống như một bóng bán dẫn hiệu ứng trường, thyristor có một điện cực điều khiển. Hơn nữa, là một diode, thyristor có một đặc thù - không tiêm chất mang điện tích làm việc thiểu số thông qua điện cực điều khiển, nó sẽ không đi vào trạng thái dẫn điện, nghĩa là nó sẽ không mở.

Một mô hình thyristor đơn giản hóa cho phép chúng ta hiểu rằng điện cực điều khiển ở đây tương tự như cơ sở của bóng bán dẫn lưỡng cực, tuy nhiên, có một hạn chế là có thể mở khóa thyristor bằng cơ sở này, nhưng nó không thể bị khóa.

Một thyristor, giống như một bóng bán dẫn hiệu ứng trường mạnh mẽ, tất nhiên có thể chuyển đổi dòng điện đáng kể. Và không giống như các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, công suất chuyển đổi thyristor có thể được đo bằng megawatt ở điện áp hoạt động cao. Nhưng thyristor có một nhược điểm nghiêm trọng - thời gian tắt đáng kể.

Để khóa thyristor, cần phải làm gián đoạn hoặc giảm đáng kể dòng điện trực tiếp của nó trong một thời gian đủ dài, trong đó các chất mang điện tích làm việc chính không cân bằng, các cặp lỗ electron, sẽ có thời gian để kết hợp lại hoặc giải quyết. Cho đến khi dòng điện bị gián đoạn, thyristor sẽ vẫn ở trạng thái dẫn, nghĩa là nó sẽ tiếp tục hoạt động như diode.

Mạch chuyển mạch dòng điện xoay chiều cung cấp cho thyristor một chế độ hoạt động phù hợp - điện áp hình sin làm sai lệch quá trình chuyển đổi theo hướng ngược lại và thyristor tự động khóa. Nhưng để duy trì hoạt động của thiết bị, cần phải áp dụng xung điều khiển mở khóa cho điện cực điều khiển trong mỗi nửa chu kỳ.

Trong các mạch có nguồn DC, chúng sử dụng các mạch phụ bổ sung, chức năng của nó là làm giảm cưỡng bức dòng anốt của thyristor và đưa nó trở về trạng thái khóa. Và vì các sóng mang điện tích kết hợp lại khi bị khóa, tốc độ chuyển đổi thyristor thấp hơn nhiều so với bóng bán dẫn hiệu ứng trường mạnh mẽ.

Nếu chúng ta so sánh thời gian đóng hoàn toàn của thyristor với thời gian đóng hoàn toàn của bóng bán dẫn hiệu ứng trường, thì sự khác biệt đạt tới hàng ngàn lần: một bóng bán dẫn hiệu ứng trường cần vài nano giây (10-100 ns) để đóng và một thyristor cần vài micrô giây (10-100 giây). Cảm nhận sự khác biệt.

Tất nhiên, có những lĩnh vực ứng dụng thyristor nơi các bóng bán dẫn hiệu ứng trường không chịu được sự cạnh tranh với chúng. Đối với thyristor, thực tế không có hạn chế nào đối với công suất chuyển đổi tối đa cho phép - đây là lợi thế của chúng.

Các thyristor điều khiển megawatt điện trong các nhà máy điện lớn, trong các máy hàn công nghiệp, họ chuyển đổi dòng điện của hàng trăm ampe, và theo truyền thống họ cũng điều khiển các lò nung cảm ứng megawatt trong các nhà máy thép. Ở đây, bóng bán dẫn hiệu ứng trường không được áp dụng dưới bất kỳ hình thức nào. Trong các bộ biến đổi xung của công suất trung bình, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường thắng.

Việc tắt thyristor lâu, như đã đề cập ở trên, được giải thích bởi thực tế là khi bật, nó cần phải loại bỏ điện áp collector, và giống như một bóng bán dẫn lưỡng cực, thyristor mất một thời gian hữu hạn để kết hợp lại hoặc loại bỏ các sóng mang thiểu số.

Các vấn đề gây ra thyristor liên quan đến đặc thù này liên quan chủ yếu đến việc không thể chuyển đổi ở tốc độ cao, như các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có thể làm.Và ngay cả trước khi điện áp collector được áp dụng cho thyristor, thyristor phải được đóng lại, nếu không, việc mất điện là không thể tránh khỏi, chất bán dẫn sẽ quá nóng.

Nói cách khác, giới hạn dU / dt giới hạn hiệu suất. Một âm mưu tiêu tán năng lượng như là một chức năng của thời gian hiện tại và bật lên minh họa vấn đề này. Nhiệt độ cao bên trong tinh thể thyristor không chỉ có thể gây ra báo động sai mà còn gây trở ngại cho việc chuyển đổi.

Trong các bộ biến tần cộng hưởng trên thyristor, vấn đề khóa được tự giải quyết, trong đó sự đột biến của cực ngược dẫn đến khóa thyristor, với điều kiện là phơi nhiễm khá lâu.

Điều này cho thấy lợi thế chính của bóng bán dẫn hiệu ứng trường so với thyristor. Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có khả năng hoạt động ở tần số hàng trăm kilohertz, và điều khiển ngày nay không phải là vấn đề.

Các thyristor sẽ hoạt động đáng tin cậy ở tần số lên tới 40 kilohertz, gần hơn với 20 kilohertz. Điều này có nghĩa là nếu thyristor được sử dụng trong các bộ biến tần hiện đại, thì các thiết bị có công suất đủ cao, giả sử, 5 kilowatt, sẽ rất cồng kềnh.

Theo nghĩa này, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường làm cho các bộ biến tần nhỏ gọn hơn do kích thước và trọng lượng nhỏ hơn của lõi của máy biến áp và cuộn cảm.

Tần số càng cao, kích thước yêu cầu máy biến áp và cuộn cảm càng nhỏ để chuyển đổi cùng một công suất, mọi người đều quen thuộc với mạch của bộ biến đổi xung hiện đại.

Tất nhiên, trong một số ứng dụng, thyristor rất hữu ích, ví dụ điều chỉnh độ sáng để điều chỉnh độ sáng của ánh sángHoạt động ở tần số mạng 50 Hz, trong mọi trường hợp, sản xuất trên thyristor sẽ có lợi hơn, chúng rẻ hơn so với khi các bóng bán dẫn hiệu ứng trường được sử dụng ở đó.

Và trong biến tần hànví dụ, sử dụng các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có lợi hơn, vì chính xác là dễ dàng điều khiển chuyển mạch và tốc độ cao của chuyển mạch này. Nhân tiện, khi chuyển từ thyristor sang mạch bóng bán dẫn, mặc dù chi phí cao sau này, các thành phần đắt tiền không cần thiết được loại trừ khỏi các thiết bị.