Warum moderne Wechselrichter Transistoren verwenden, keine Thyristoren

Thyristoren gehören zu Halbleiterbauelementen mit der pn-pn-Struktur und gehören tatsächlich zu einer speziellen Klasse Bipolartransistoren, vierschichtige, drei (oder mehr) Übergangsvorrichtungen mit alternierender Leitfähigkeit.

Die Thyristorvorrichtung ermöglicht es, wie eine Diode zu arbeiten, dh Strom nur in eine Richtung zu leiten.

Und auch wie ein Feldeffekttransistor, Thyristor Es gibt eine Steuerelektrode. Darüber hinaus weist der Thyristor als Diode eine Besonderheit auf - ohne Injektion von Minoritätsarbeitsladungsträgern durch die Steuerelektrode geht er nicht in einen leitenden Zustand über, dh er öffnet sich nicht.

Ein vereinfachtes Thyristormodell ermöglicht es uns zu verstehen, dass die Steuerelektrode hier der Basis eines Bipolartransistors ähnlich ist. Es gibt jedoch eine Einschränkung, dass es möglich ist, den Thyristor mit dieser Basis zu entsperren, aber nicht verriegelt werden kann.

Ein Thyristor kann wie ein leistungsstarker Feldeffekttransistor natürlich erhebliche Ströme schalten. Und im Gegensatz zu Feldeffekttransistoren können Thyristor-geschaltete Leistungen bei hohen Betriebsspannungen in Megawatt gemessen werden. Thyristoren haben jedoch einen schwerwiegenden Nachteil - eine erhebliche Ausschaltzeit.

Um den Thyristor zu verriegeln, ist es notwendig, seinen Gleichstrom für eine ausreichend lange Zeit zu unterbrechen oder signifikant zu reduzieren, während der die Hauptarbeitsladungsträger des Nichtgleichgewichts, Elektronen-Loch-Paare, Zeit haben würden, sich zu rekombinieren oder aufzulösen. Bis der Strom unterbrochen wird, bleibt der Thyristor in einem leitenden Zustand, dh er verhält sich weiterhin wie Diode.

Wechselstrom-Sinusstrom-Schaltkreise bieten Thyristoren einen geeigneten Betriebsmodus - eine Sinus-Spannung spannt den Übergang in die entgegengesetzte Richtung vor und der Thyristor wird automatisch verriegelt. Um den Betrieb des Geräts aufrechtzuerhalten, ist es jedoch erforderlich, in jeder Halbwelle einen Entriegelungssteuerimpuls an die Steuerelektrode anzulegen.

In Schaltkreisen mit Gleichstrom greifen sie auf zusätzliche Hilfskreise zurück, deren Funktion darin besteht, den Anodenstrom des Thyristors zwangsweise zu reduzieren und ihn in den verriegelten Zustand zurückzubringen. Und da Ladungsträger im verriegelten Zustand rekombinieren, ist die Schaltgeschwindigkeit des Thyristors viel niedriger als die eines leistungsstarken Feldeffekttransistors.

Wenn wir die Zeit des vollständigen Schließens des Thyristors mit der Zeit des vollständigen Schließens des Feldeffekttransistors vergleichen, erreicht die Differenz das Tausendfache: Ein Feldeffekttransistor benötigt mehrere Nanosekunden (10-100 ns) zum Schließen und ein Thyristor benötigt mehrere Mikrosekunden (10-100 μs). Fühle den Unterschied.

Natürlich gibt es Anwendungsbereiche von Thyristoren, in denen Feldeffekttransistoren der Konkurrenz mit ihnen nicht standhalten. Für Thyristoren gibt es praktisch keine Einschränkungen hinsichtlich der maximal zulässigen Schaltleistung - dies ist ihr Vorteil.

Thyristoren regeln Megawatt Leistung in großen Kraftwerken, in industriellen Schweißgeräten schalten sie Ströme von Hunderten von Ampere und sie steuern traditionell auch Megawatt-Induktionsöfen in Stahlwerken. Hier sind Feldeffekttransistoren in keiner Weise anwendbar. In gepulsten Wandlern mittlerer Leistung gewinnen Feldeffekttransistoren.

Ein langes Abschalten des Thyristors, wie oben erwähnt, erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Einschalten die Kollektorspannung entfernt werden muss und der Thyristor wie ein Bipolartransistor eine begrenzte Zeit benötigt, um Minoritätsträger zu rekombinieren oder zu entfernen.

Die Probleme, die Thyristoren im Zusammenhang mit dieser Besonderheit verursachen, hängen hauptsächlich mit der Unfähigkeit zusammen, mit hohen Geschwindigkeiten zu schalten, wie dies Feldeffekttransistoren tun können.Und noch bevor die Kollektorspannung an den Thyristor angelegt wird, muss der Thyristor geschlossen werden, da sonst Schaltleistungsverluste unvermeidlich sind und der Halbleiter überhitzt.

Mit anderen Worten, die Begrenzung von dU / dt begrenzt die Leistung. Ein Diagramm der Verlustleistung als Funktion des Stroms und der Einschaltdauer veranschaulicht dieses Problem. Die hohe Temperatur im Inneren des Thyristorkristalls kann nicht nur einen Fehlalarm auslösen, sondern auch das Schalten stören.

Bei Resonanzwechselrichtern an Thyristoren wird das Verriegelungsproblem von selbst gelöst, wobei der Anstieg der Verpolung zum Verriegeln des Thyristors führt, vorausgesetzt, die Belichtung ist ziemlich lang.

Dies zeigt den Hauptvorteil von Feldeffekttransistoren gegenüber Thyristoren. Feldeffekttransistoren können mit Frequenzen von Hunderten von Kilohertz betrieben werden, und die Steuerung ist heute kein Problem.

Thyristoren arbeiten zuverlässig bei Frequenzen bis zu 40 Kilohertz, näher an 20 Kilohertz. Dies bedeutet, dass bei Verwendung von Thyristoren in modernen Wechselrichtern Geräte mit einer ausreichend hohen Leistung, beispielsweise 5 Kilowatt, sehr umständlich wären.

In diesem Sinne machen Feldeffekttransistoren Wechselrichter aufgrund der geringeren Größe und des geringeren Gewichts der Kerne von Leistungstransformatoren und Drosseln kompakter.

Je höher die Frequenz, desto kleiner die Größe, die Transformatoren und Drosseln benötigen, um die gleiche Leistung umzuwandeln. Dies ist jedem bekannt, der mit der Schaltung moderner Impulswandler vertraut ist.

Natürlich sind in einigen Anwendungen beispielsweise Thyristoren sehr nützlich Dimmer zum Einstellen der Helligkeit des LichtsBei einer Netzfrequenz von 50 Hz ist die Herstellung auf Thyristoren in jedem Fall rentabler, sie sind billiger als bei Verwendung von Feldeffekttransistoren.

Und in SchweißwechselrichterZum Beispiel ist es rentabler, Feldeffekttransistoren zu verwenden, gerade wegen der einfachen Schaltsteuerung und der hohen Geschwindigkeit dieses Schaltens. Übrigens werden beim Umschalten von einem Thyristor auf eine Transistorschaltung trotz der hohen Kosten der letzteren unnötig teure Komponenten von den Bauelementen ausgeschlossen.