Perché i moderni inverter usano transistor, non tiristori

I tiristori appartengono ai dispositivi a semiconduttore della struttura p-n-p-n e, in effetti, appartengono a una classe speciale transistor bipolari, dispositivi a quattro strati, tre (o più) di transizione con conducibilità alternata.

Il dispositivo a tiristore gli consente di funzionare come un diodo, ovvero di far passare la corrente in una sola direzione.

E anche come un transistor ad effetto di campo, tiristore c'è un elettrodo di controllo. Inoltre, come diodo, il tiristore ha una peculiarità: senza l'iniezione di portatori di carica di lavoro di minoranza attraverso l'elettrodo di controllo non andrà in uno stato di conduzione, cioè non si aprirà.

Un modello a tiristori semplificato ci consente di capire che l'elettrodo di controllo qui è simile alla base di un transistor bipolare, tuttavia esiste un limite al fatto che è possibile sbloccare il tiristore utilizzando questa base, ma non può essere bloccato.

Un tiristore, come un potente transistor ad effetto di campo, può ovviamente commutare correnti significative. E a differenza dei transistor ad effetto di campo, le potenze a tiristori possono essere misurate in megawatt ad alte tensioni di funzionamento. Ma i tiristori hanno un grave inconveniente: un tempo di spegnimento significativo.

Al fine di bloccare il tiristore, è necessario interrompere o ridurre significativamente la sua corrente continua per un tempo sufficientemente lungo, durante il quale i portatori di carica di lavoro principali non equilibrati, coppie di fori di elettroni, avrebbero il tempo di ricombinarsi o risolversi. Fino a quando la corrente non viene interrotta, il tiristore rimarrà in uno stato di conduzione, cioè continuerà a comportarsi come diodo.

I circuiti di commutazione della corrente sinusoidale CA forniscono ai tiristori una modalità operativa adeguata: una tensione sinusoidale ostacola la transizione nella direzione opposta e il tiristore viene automaticamente bloccato. Ma per mantenere il funzionamento del dispositivo, è necessario applicare un impulso di controllo di sblocco all'elettrodo di controllo in ciascun semiciclo.

Nei circuiti con alimentazione CC, ricorrono a circuiti ausiliari aggiuntivi, la cui funzione è quella di ridurre forzatamente la corrente anodica del tiristore e riportarla nello stato bloccato. E poiché i portatori di carica si ricombinano quando bloccati, la velocità di commutazione del tiristore è molto inferiore a quella di un potente transistor ad effetto di campo.

Se confrontiamo il tempo di chiusura completa del tiristore con il tempo di chiusura completa del transistor ad effetto di campo, la differenza raggiunge migliaia di volte: un transistor ad effetto di campo ha bisogno di diversi nanosecondi (10-100 ns) per chiudersi e il tiristore richiede diversi microsecondi (10-100 μs). Senti la differenza.

Naturalmente, ci sono aree di applicazione dei tiristori in cui i transistor ad effetto di campo non resistono alla concorrenza con essi. Per i tiristori, non ci sono praticamente restrizioni sulla massima potenza commutata consentita - questo è il loro vantaggio.

I tiristori controllano i megawatt di potenza nelle grandi centrali elettriche, nelle saldatrici industriali cambiano correnti di centinaia di ampere e controllano tradizionalmente i forni a induzione da megawatt nelle acciaierie. Qui, i transistor ad effetto di campo non sono applicabili in alcun modo. Nei convertitori a impulsi di media potenza, i transistor ad effetto di campo vincono.

Un lungo arresto del tiristore, come menzionato sopra, è spiegato dal fatto che quando acceso, richiede di rimuovere la tensione del collettore e, come un transistor bipolare, il tiristore impiega un tempo finito per ricombinare o rimuovere i portatori di minoranza.

I problemi che causano i tiristori in relazione a questa peculiarità sono legati principalmente all'incapacità di passare ad alte velocità, come possono fare i transistor ad effetto di campo.E anche prima che la tensione del collettore venga applicata al tiristore, il tiristore deve essere chiuso, altrimenti la perdita di potenza di commutazione è inevitabile, il semiconduttore si surriscalda.

In altre parole, la limitazione dU / dt limita le prestazioni. Un diagramma della dissipazione di potenza in funzione della corrente e del tempo di puntamento illustra questo problema. L'alta temperatura all'interno del cristallo tiristore può non solo causare un falso allarme, ma interferire anche con la commutazione.

Negli inverter risonanti su tiristori, il problema del blocco viene risolto da solo, dove l'impennata della polarità inversa porta al blocco del tiristore, a condizione che l'esposizione sia piuttosto lunga.

Ciò rivela il vantaggio principale dei transistor ad effetto di campo rispetto ai tiristori. I transistor ad effetto di campo sono in grado di funzionare a frequenze di centinaia di kilohertz e il controllo oggi non è un problema.

I tiristori funzioneranno in modo affidabile a frequenze fino a 40 kilohertz, più vicine a 20 kilohertz. Ciò significa che se i tiristori fossero utilizzati nei moderni inverter, i dispositivi con una potenza sufficientemente elevata, diciamo 5 kilowatt, sarebbero molto ingombranti.

In questo senso, i transistor ad effetto di campo rendono gli inverter più compatti a causa delle dimensioni e del peso più piccoli dei nuclei dei trasformatori di potenza e degli strozzatori.

Maggiore è la frequenza, minore è la dimensione richiesta a trasformatori e strozzatori per convertire la stessa potenza, è noto a tutti coloro che hanno familiarità con i circuiti dei moderni convertitori di impulsi.

Naturalmente, in alcune applicazioni, i tiristori sono molto utili, ad esempio dimmer per regolare la luminosità della luceoperando a una frequenza di rete di 50 Hz, in ogni caso, è più redditizio fabbricare su tiristori, sono più economici che se vi fossero usati transistor ad effetto di campo.

E dentro inverter di saldaturaAd esempio, è più vantaggioso utilizzare transistor ad effetto di campo, proprio per la facilità di controllo della commutazione e l'elevata velocità di questa commutazione. A proposito, quando si passa da un tiristore a un circuito a transistor, nonostante l'alto costo di quest'ultimo, i componenti costosi non necessari sono esclusi dai dispositivi.