Thyristor-Kommutierungsmethoden in der Leistungselektronik

Die meisten von den Konverterausrüstung und Schaltnetzteile verwenden Leistungselektronik Komponenten wie Thyristoren, MOSFET und andere Leistungshalbleiterbauelemente für Hochfrequenzschaltvorgänge bei hohen Nennleistungen. Betrachten Sie die Thyristoren, die wir in mehreren Anwendungen sehr häufig als bistabile Schalter verwenden. Diese Thyristoren verwenden Schalter, die ein- und ausgeschaltet werden müssen. Zum Einschalten der Thyristoren gibt es einige Thyristor-Einschaltverfahren, die als Thyristor-Triggerverfahren bezeichnet werden. In ähnlicher Weise gibt es zum Ausschalten von Thyristoren Methoden, die als Kommutierungsmethoden oder -techniken für Thyristoren bezeichnet werden. Bevor wir die Thyristorkommutierungstechniken diskutieren, müssen wir etwas über die Grundlagen des Thyristors wissen, wie z. B. einen Thyristor, Thyristorbetrieb, verschiedene Arten von Thyristoren und Einschaltmethoden für Thyristoren.

Was ist ein Thyristor?

Zwei bis vier Leitungshalbleiterbauelemente, die aus vier Schichten alternierender Materialien vom N- und P-Typ bestehen, werden als Thyristoren bezeichnet. Diese werden im Allgemeinen als bistabile Schalter verwendet, die nur dann leiten, wenn der Gate-Anschluss des Thyristors ausgelöst wird. Ein Thyristor wird auch als siliziumgesteuerter Gleichrichter oder SCR bezeichnet.

Thyristor

Was ist die Umwandlung von SCR?

Die Kommutierung ist nichts anderes als die Ausschaltmethode eines SCR. Dies ist eine Methode, um einen SCR oder Thyristor aus dem EIN-Zustand in den AUS-Zustand zu bringen. Wir wissen, dass ein SCR aktiviert werden kann, indem ein Gate-Signal in Richtung eines SCR verwendet wird, wenn es sich in Vorwärtsrichtung befindet. Der SCR muss jedoch ausgeschaltet werden, wenn dies zur Leistungssteuerung erforderlich ist, andernfalls zur Leistungskonditionierung.

Kommutierungsschaltung für SCR

Wenn sich ein SCR im Weiterleitungsmodus bewegt, verliert sein Gate-Anschluss seine Kontrolle. Zu diesem Zweck sollte eine zusätzliche Schaltung verwendet werden, um den Thyristor / SCR auszuschalten. Diese zusätzliche Schaltung wird also als Kommutierungsschaltung bezeichnet.

Daher wird dieser Begriff hauptsächlich zur Übertragung des Stroms von einem Ane zum anderen verwendet. Die Kommutierungsschaltung reduziert hauptsächlich den Durchlassstrom auf Null, um den Thyristor auszuschalten. Daher sollten die folgenden Bedingungen erfüllt sein, um den Thyristor auszuschalten, sobald er leitend ist.

• Der Durchlassstrom des Thyristors oder SCR sollte ansonsten unter dem Haltestrompegel auf Null verringert werden.
• Über den SCR / Thyristor sollte eine ausreichende Sperrspannung angelegt werden, um seinen Vorwärtssperrzustand wiederherzustellen.

Sobald der SCR durch Verringern des Durchlassstroms auf Null ausgeschaltet wird, existieren überschüssige Ladungsträger in verschiedenen Schichten. Um den Vorwärtsblockierungszustand des Thyristors wiederherzustellen, sollten diese überschüssigen Ladungsträger rekombiniert werden. Dieses Rekombinationsverfahren kann also beschleunigt werden, indem eine Sperrspannung an den Thyristor angelegt wird.

Thyristor-Kommutierungsmethoden

Wie wir oben untersucht haben, kann ein Thyristor eingeschaltet werden, indem ein Gate-Anschluss mit einem Kurzzeitimpuls mit niedriger Spannung ausgelöst wird. Nach dem Einschalten wird es jedoch kontinuierlich geleitet, bis der Thyristor in Sperrrichtung vorgespannt ist oder der Laststrom auf Null fällt. Diese kontinuierliche Leitung von Thyristoren verursacht in einigen Anwendungen Probleme. Der Vorgang zum Ausschalten eines Thyristors wird als Kommutierung bezeichnet. Durch den Kommutierungsprozess wird der Thyristor-Betriebsmodus vom Vorwärtsleitungsmodus in den Vorwärtsblockierungsmodus geändert. Daher werden die Thyristor-Kommutierungsverfahren oder Thyristor-Kommutierungstechniken zum Ausschalten verwendet.

Die Kommutierungstechniken von Thyristoren werden in zwei Typen eingeteilt:

• Natürliche Kommutierung
• Zwangskommutierung

Natürliche Kommutierung

Wenn wir die Wechselstromversorgung berücksichtigen, fließt der Strom im Allgemeinen durch die Nulldurchgangslinie, während er von einer positiven Spitze zu einer negativen Spitze geht. Somit erscheint gleichzeitig eine Sperrspannung über dem Gerät, die den Thyristor sofort ausschaltet. Dieser Vorgang wird als natürliche Kommutierung bezeichnet, da der Thyristor auf natürliche Weise ausgeschaltet wird, ohne dass externe Komponenten, Schaltkreise oder Versorgungen für Kommutierungszwecke verwendet werden.

Eine natürliche Kommutierung kann in Wechselspannungsreglern, phasengesteuerten Gleichrichtern und Zyklokonvertern beobachtet werden.

Zwangskommutierung

Der Thyristor kann durch Sperrvorspannung des SCR oder durch Verwendung aktiver oder passiver Komponenten ausgeschaltet werden. Der Thyristorstrom kann auf einen Wert unter dem Wert des Haltestroms reduziert werden. Da der Thyristor gewaltsam ausgeschaltet wird, wird er als erzwungener Kommutierungsprozess bezeichnet. Das Grundelektronik und elektrische Komponenten B. Induktivität und Kapazität werden als Kommutierungselemente für Kommutierungszwecke verwendet.

Während der Verwendung der Gleichstromversorgung kann eine erzwungene Kommutierung beobachtet werden, daher wird sie auch als Gleichstromkommutierung bezeichnet. Die für den erzwungenen Kommutierungsprozess verwendete externe Schaltung wird als Kommutierungsschaltung bezeichnet, und die in dieser Schaltung verwendeten Elemente werden als Kommutierungselemente bezeichnet.

Klassifikation von Methoden der erzwungenen Kommutierung

Hier wird die Klassifizierung der Thyristorkommutierungsverfahren unten diskutiert. Seine Klassifizierung erfolgt hauptsächlich in Abhängigkeit davon, ob der Kommutierungsimpuls ein Stromimpuls eines Spannungsimpulses ist, ob er über den zu kommutierenden SCR in Reihe / parallel geschaltet ist, ob das Signal über einen Hilfs- oder Hauptthyristor gegeben wird, ob der Der Kommutierungskreis wird von einer Hilfs- oder Hauptquelle geladen. Die Klassifizierung von Wechselrichtern kann hauptsächlich anhand der Position der Kommutierungssignale erfolgen. Die erzwungene Kommutierung kann wie folgt in verschiedene Methoden eingeteilt werden:

• Klasse A: Selbstkommutiert durch eine Resonanzlast
• Klasse B: Selbstkommutiert durch einen LC-Stromkreis
• Klasse C: Cor L-C wird von einem anderen tragenden SCR geschaltet
• Klasse D: C oder L-C, die von einem zusätzlichen SCR geschaltet werden
• Klasse E: Eine externe Impulsquelle zur Kommutierung
• Klasse F: AC-Leitungskommutierung

Klasse A: Selbstkommutiert durch eine Resonanzlast

Klasse A ist eine der häufig verwendeten Thyristor-Kommutierungstechniken. Wenn der Thyristor ausgelöst oder eingeschaltet wird, fließt durch Laden Anodenstrom Kondensator C. mit Punkt als positiv. Die unterdämpfte Schaltung zweiter Ordnung wird durch die gebildet Induktivität oder Wechselstromwiderstand , Kondensator und Widerstand. Wenn sich der Strom durch den SCR aufbaut und die Halbwelle abschließt, fließt der Induktorstrom in umgekehrter Richtung durch den SCR, wodurch der Thyristor ausgeschaltet wird.

Klasse-A-Thyristor-Kommutierungsmethode

Nach der Thyristorkommutierung oder dem Ausschalten des Thyristors beginnt der Kondensator exponentiell von seinem Spitzenwert über den Widerstand zu entladen. Der Thyristor befindet sich in einem Sperrvorspannungszustand, bis die Kondensatorspannung wieder auf den Versorgungsspannungspegel zurückkehrt.

Klasse B: Selbstkommutiert durch einen L-C-Stromkreis

Der Hauptunterschied zwischen den Thyristorkommutierungsmethoden der Klassen A und B besteht darin, dass der LC in Reihe mit dem Thyristor der Klasse A in Reihe geschaltet ist, während der Kondensator parallel zum Thyristor der Klasse B vor dem Auslösen des SCR aufgeladen wird (Punkt zeigt an) positiv). Wenn der SCR ausgelöst wird oder einen Auslöseimpuls erhält, besteht der resultierende Strom aus zwei Komponenten.

Klasse-B-Thyristor-Kommutierungsmethode

Der konstante Laststrom, der durch die R-L-Last fließt, wird durch die große Reaktanz sichergestellt, die in Reihe mit der Last geschaltet ist, die mit einer Freilaufdiode geklemmt ist. Wenn sinusförmiger Strom durch den Resonanzkreis L-C fließt, wird der Kondensator C am Ende der Halbwelle mit einem negativen Punkt aufgeladen.

Der durch den SCR fließende Gesamtstrom wird Null, wobei der durch den SCR fließende Rückstrom dem Laststrom für einen kleinen Bruchteil des negativen Schwungs entgegengesetzt ist. Wenn der Resonanzkreisstrom oder der Rückstrom nur größer als der Laststrom wird, wird der SCR ausgeschaltet.

Klasse C: C oder L-C, geschaltet von einem anderen lasttragenden SCR

Bei den obigen Thyristor-Kommutierungsmethoden haben wir nur einen SCR beobachtet, aber bei diesen Klasse-C-Kommutierungstechniken des Thyristors gibt es zwei SCRs. Ein SCR wird als Hauptthyristor und der andere als Hilfsthyristor betrachtet. In dieser Klassifizierung können beide als Haupt-SCRs fungieren, die Laststrom führen, und sie können mit vier SCRs mit Last über dem Kondensator ausgelegt werden, indem eine Stromquelle zur Versorgung eines integrierten Wandlers verwendet wird.

Klasse-C-Thyristor-Kommutierungsmethode

Wenn der Thyristor T2 ausgelöst wird, wird der Kondensator aufgeladen. Wenn der Thyristor T1 ausgelöst wird, entlädt sich der Kondensator und dieser Entladestrom von C wirkt dem Laststromfluss in T2 entgegen, wenn der Kondensator über T1 über T2 geschaltet wird.

Klasse D: L-C oder C, die von einem zusätzlichen SCR geschaltet werden

Die Kommutierungsmethoden für Thyristoren der Klassen C und D können mit dem Laststrom in Klasse D unterschieden werden: Nur einer der SCRs führt den Laststrom, während der andere als Hilfsthyristor fungiert, während in Klasse C beide SCRs Laststrom führen. Der Hilfsthyristor besteht aus einem Widerstand in seiner Anode, der einen Widerstand aufweist, der ungefähr dem Zehnfachen des Lastwiderstands entspricht.

Klasse D Typ

Durch Auslösen des Ta (Hilfsthyristor) wird der Kondensator auf Versorgungsspannung aufgeladen und dann wird das Ta ausgeschaltet. Die zusätzliche Spannung, falls vorhanden, wird aufgrund einer erheblichen Induktivität in den Eingangsleitungen durch die Dioden-Induktor-Lastschaltung entladen.

Wenn der Tm (Hauptthyristor) ausgelöst wird, fließt der Strom in zwei Pfaden: Der Kommutierungsstrom fließt durch den C-Tm-L-D-Pfad und der Laststrom fließt durch die Last. Wenn die Ladung des Kondensators unter Verwendung der Diode umgekehrt und auf diesem Niveau gehalten wird und Ta erneut ausgelöst wird, erscheint die Spannung über dem Kondensator über Tm über Ta. Somit wird der Hauptthyristor Tm ausgeschaltet.

Klasse E: Externe Impulsquelle für die Kommutierung

Für die Klasse-E-Thyristor-Kommutierungstechniken kann ein Transformator nicht gesättigt sein (da er einen ausreichenden Eisen- und Luftspalt aufweist) und in der Lage sein, den Laststrom mit einem kleinen Spannungsabfall im Vergleich zur Versorgungsspannung zu führen. Wenn der Thyristor T ausgelöst wird, fließt der Strom durch den Last- und Impulstransformator.

Klasse E Typ

Ein externer Impulsgenerator wird verwendet, um einen positiven Impuls zu erzeugen, der über einen Impulstransformator der Kathode des Thyristors zugeführt wird. Der Kondensator C wird auf ungefähr 1 V aufgeladen und es wird angenommen, dass er für die Dauer des Ausschaltimpulses eine Impedanz von Null hat. Die Spannung am Thyristor wird durch den Impuls von der umgekehrt elektrischer Transformator Dies liefert den Rückgewinnungsstrom und hält für die erforderliche Ausschaltzeit die negative Spannung.

Klasse F: AC-Leitung kommutiert

Bei Thyristorkommutierungstechniken der Klasse F wird eine Wechselspannung zur Versorgung verwendet, und während der positiven Halbwelle dieser Versorgung fließt der Laststrom. Wenn die Last hochinduktiv ist, bleibt der Strom so lange bestehen, bis die in der induktiven Last gespeicherte Energie verbraucht ist. Während der negativen Halbwelle, wenn der Laststrom Null wird, schaltet sich der Thyristor aus. Wenn für einen Zeitraum der Nennabschaltzeit des Geräts eine Spannung anliegt, wird diese durch die negative Polarität der Spannung am ausgehenden Thyristor ausgeschaltet.

Klasse F Typ

Hier muss die Dauer des Halbzyklus größer sein als die Ausschaltzeit des Thyristors. Dieser Kommutierungsprozess ähnelt dem Konzept eines Dreiphasenwandlers. Nehmen wir an, hauptsächlich T1 und T11 leiten mit dem Auslösewinkel des Wandlers, der 60 Grad entspricht und im Dauerleitungsmodus mit einer hochinduktiven Last arbeitet.

Wenn die Thyristoren T2 und T22 ausgelöst werden, steigt der Strom durch die ankommenden Geräte augenblicklich nicht auf das Laststrompegel an. Wenn der Strom durch die ankommenden Thyristoren das Laststrompegel erreicht, wird der Kommutierungsprozess der ausgehenden Thyristoren eingeleitet. Diese Sperrspannung des Thyristors sollte fortgesetzt werden, bis der Vorwärtssperrzustand erreicht ist.

Ausfall der Thyristor-Kommutierungsmethoden

Der Thyristorkommutierungsfehler tritt hauptsächlich auf, weil sie leitungskommutiert sind und ein Spannungsabfall zu einer unzureichenden Kommutierungsspannung führen kann. Dies führt zu einem Fehler, sobald der folgende Thyristor gezündet wird. Ein Kommutierungsfehler tritt also aus mehreren Gründen auf, von denen einige unten diskutiert werden.
Thyristoren bieten eine ziemlich langsame Rückwärtserholungszeit, so dass der Hauptrückstrom die Vorwärtsleitung liefern kann. Dies kann bedeuten, dass ein „Fehlerstrom“, der zyklisch durch die damit verbundene Verlustleistung auftritt, beim SCR-Ausfall sichtbar wird.

In einem Stromkreis erfolgt die Kommutierung im Wesentlichen, sobald der Stromfluss von einem Zweig des Stromkreises zu einem anderen fließt. Ein Kommutierungsfehler tritt hauptsächlich auf, wenn die Änderung des Pfads aus irgendeinem Grund fehlschlägt.
Bei einem Wechselrichter oder einer Gleichrichterschaltung, die SCRs verwendet, kann ein Kommutierungsfehler aus zwei grundlegenden Gründen auftreten.

Wenn sich ein Thyristor nicht einschalten lässt, schaltet sich der Stromfluss nicht um und die Kommutierungsmethode wird unterbrochen. In ähnlicher Weise kann der Stromfluss teilweise in Richtung des nächsten Zweigs kommutieren, wenn ein Thyristor zum Ausschalten zu kurz kommt. Dies wird also auch als Fehlschlag angesehen.

Unterschied zwischen natürlichen Kommutierungs- und erzwungenen Kommutierungstechniken

Die Unterschiede zwischen natürlicher Kommutierung und erzwungener Kommutierung werden unten diskutiert.

Ein Thyristor kann einfach als geregelter Gleichrichter bezeichnet werden. Es gibt verschiedene Arten von Thyristoren, die zum Entwurf von Leistungselektronik verwendet werden innovative elektrische Projekte . Das Einschalten des Thyristors durch Anlegen von Triggerimpulsen an den Gate-Anschluss wird als Triggering bezeichnet. In ähnlicher Weise wird der Vorgang des Ausschaltens des Thyristors als Kommutierung bezeichnet. Hoffe, dieser Artikel gibt kurze Informationen über verschiedene Kommutierungstechniken des Thyristors. Weitere technische Unterstützung erhalten Sie anhand Ihrer Kommentare und Fragen im Kommentarbereich unten.