Однофазный однополупериодный выпрямитель

Однофазный однополупериодный выпрямитель

В таком выпрямителе диод VD включен последовательно с нагрузочным резистором R_Н и вторичной обмоткой трансформатора Т (рис. 5а).

Рис. 5. Схема (а), временные диаграммы (б) напряжения (добавить напряжение на диоде) и тока однополупериодного выпрямителя

 

В течение каждого положительного полупериода синусоидального напряжения u₂(t) (рис. 5 б) диод открыт, и ток в нем, нагрузке и вторичной обмотке трансформатора имеет вид полуволны синусоиды, а u_Н (t) = u₂ (t). В отрицательные полупериоды диод закрыт, ток в цепи и напряжение на резисторе равны нулю. Все напряжение u₂ (t) приложено к диоду.

 

Средние значения выпрямленных напряжения и тока

;

,

где U₂ и I₂ – действующие значения фазных напряжения и тока.

Коэффициент пульсаций

.

Частота напряжения пульсаций

.

 

Среднее значение тока в каждом диоде

,

а максимальное обратное напряжение на закрытом диоде равно амплитуде линейного напряжения:

.

 

Ток во вторичной обмотке трансформатора

;

 

Коэффициент использования трансформатора

.

 

Достоинства – простота, низкий коэффициент пульсаций.

Недостатки – высокое обратное напряжение на диодах, подмагничивание трансформатора.

Так же как и однофазный из-за плохого использования трансформатора однополупериодный трежфазный выпрямитель находит свое применение только для ограниченного диапазона мощностей нагрузки (до 2 кВт).

 

Трехфазный мостовой выпрямитель

Здесь шесть диодов (рис. 9) образуют две группы: катодную (VD1, VD3, VD5) и анодную (VD2, VD4, VD6). В каждый момент времени ток проводят два диода: один из катодной группы, потенциал анода которого наиболее высокий относительно нейтрали трансформатора, а другой из анодной группы, потенциал катода которого наиболее низкий. Кривая выпрямленного напряжения (рис. 10) формируется из отрезков синусоид линейных напряжений.

 

Рис. 9. Схема трехфазного выпрямителя

 

Рис. 10. Временные диаграммы напряжения (добавить напряжение на диоде) и тока трехфазного выпрямителя

 

Средние значения выпрямленных напряжения и тока связаны с действующими линейными напряжением и током вторичной обмотки трансформатора следующими соотношениями:

;

.

Коэффициент пульсации

.

Частота напряжения пульсаций

.

 

Ток в диоде

,

а максимальное обратное напряжение на закрытом диоде равно амплитуде линейного напряжения:

.

 

Действующее значение напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора

,

.

Коэффициент использования трансформатора

.

 

Достоинства – низкие пульсации, высокая частота пульсаций, низкое обратное напряжение.

Недостатки – сложность.

Это лучший (из рассматриваемых) и самый распространенный выпрямитель для трехфазных цепей.

 

2.7. Тиристор

 

Первые промышленные образцы тиристоров начали появляться в конце 50-х, начале 60-х годов ХХ века и сразу же, благодаря малым удельным габаритам (на единицу мощности), высоким допустимым напряжениям и токам стали широко использоваться во вновь разрабатываемых устройствах. До сегодняшних дней эти полупроводниковые приборы находят широкое применение в самых разнообразных (чаще всего силовых) электротехнических и электронных устройствах, например, в силовых преобразователях тока (регулируемых выпрямителях, инверторах, преобразователях частоты, генераторах мощных импульсов и др.), коммутирующих устройствах (выключателей, бесконтактных реле). В промышленности тиристорные преобразователи используются для согласования мощных нагрузок постоянного тока с однофазной или трёхфазной питающей сетью переменного тока, в случаях, когда необходимо обеспечить регулирование мощности с высоким КПД (электроприводы постоянного тока для станков, гальванические ванны и т. п.).

Отличительной особенностью тиристора от других полупроводниковых приборов является работа в ключевом режиме. Тиристор может находиться только в двух устойчивых состояниях – закрытом и открытом и быстро переходить из закрытого в открытое при появлении импульса управления. Запирание тиристора осуществляется при выполнении определённых условий либо (в некоторых типах тиристоров) по сигналу управления.

На сегодняшний день существует несколько типов полупроводниковых приборов, относящихся к семейству тиристоров, например: полностью управляемый или запираемый тиристор (закрываемый импульсом управления), фототиристор (управляемый при помощи светового потока), симметричный двунаправленный тиристор – симмистор. Наиболее простыми, дешёвыми и распространёнными являются обычные однонаправленные триодные тиристоры.

Однонаправленный триодный тиристор (тринистор) – четырехслойный полупроводниковый прибор, в котором чередуются слои с электронной (n) и дырочной (p) электропроводностью, образуя три p-n перехода П1, П2, П3. Он имеет три вывода: А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод (рис. 1).

 

Многослойные структуры тиристоров могут быть изготовлены различными методами в зависимости от назначения, желаемых электрических характеристик и мощности приборов. Чаще всего используются сплавная, диффузионно-сплавная, диффузионная и планарная технологии. На рис. 2 представлена p-n-p-n структура, полученная диффузионно-сплавным методом. Внешний вид силовых тиристоров представлен на рис. 3.

 

 

Работа тиристора

 

Рассмотрим свойства тиристора при отсутствии тока управления (U_y =0, I_y =0). Такой режим соответствует режиму работы динистора - порогового полупроводникового прибора, имеющего два вывода, и переходящего из закрытого в открытое состояние при превышении приложенным прямым напряжением определённого порогового значения. При прямом включении тиристора (на аноде – плюс, на катоде – минус рис. 4) переходы П₁ и П₃ открыты, а П₂ закрыт (рис. 5а). При этом все приложенное к прибору напряжение будет распределяться между тремя переходами в зависимости от соотношения их вольтамперных характеристик. Сопротивление закрытого перехода велико, поэтому ток в тиристоре мал (участок 0 – а на вольт-амперной характеристике (ВАХ) тиристора (рис. 6), и тиристор остается в закрытом состоянии. Участок 0 – a ВАХ практически представляет собой обратную ветвь ВАХ закрытого p-n перехода П₂.

При напряжении U _пр = U _пер происходит переключение тиристора, то есть переход его из закрытого состояния в открытое. При дальнейшем увеличении напряжения

 

U источника или уменьшении сопротивления R _н ток в тиристоре возрастает в соответствии с участком в - г ВАХ, который соответствует открытому состоянию тиристора. При уменьшении тока до значения ниже тока удержания I _уд тиристор выключается. При этом восстанавливается высокое сопротивление перехода П₂.

 

Наличие тока управления приводит к уменьшению напряжения переключения тиристора (семейство характеристик на рис. 6). При управляющем токе, получившем название ток спрямления (I _у = I _у.с), ВАХ спрямляется, то есть по виду практически соответствует ВАХ диода (кривая 0-в-г на рис. 6). При таком токе управления тиристор сразу переходит в открытое состояние подобно диоду. В зависимости от типа тиристора ток спрямления I _у.с может составлять от нескольких микроампер до нескольких сотен миллиампер (для мощных тиристоров).

При обратной полярности внешнего напряжения переходы П₁ и П₃ закрыты и тиристор закрыт (рис. 5б). Обычно в тиристоре практически все обратное напряжение приложено к переходу П₁.

Процессы включения и выключения тиристора можно рассмотреть с помощью двухтранзисторной аналогии. Проводя мысленно разрез, показан­ный пунктиром на рис. 7а, представим четырехслойную струк­туру в виде схемы, приведенной на рис. 7б.

Управляющий ток I_упр является базовым током транзистора VT2. Этот базовый ток усиливает инжекцию носителей со стороны эмиттера Э2, так что коллекторный ток I_K2 равен a₂I_Э2 или b₂I_Б2, где b₂=a₂/(1-a₂) (здесь и далее: a=DI_к/DI_э – коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор; b=DI_к/DI_б – коэффициент усиления тока базы для соответствующего транзистора – VT1 и VT2). Однако ток I_K2 является также базовым током I_Б1 для транзистора VT1. Этот базовый ток обусловливает инжекцию носителей эмиттера Э1, в результате чего ток I_К1 равен a₁I_Э1 или b₁I_Б1 где b₁=a₁/(1-a₁). Ток I_К1 в сумме с током I_упр образует ток I_б2. Очевидно, что обратная связь в подобной схеме по­ложительна. Если коэффициенты a₁ и a₂ достаточны для того, чтобы усиление в контуре обратной связи достигло единицы, базовые токи быстро возрастут и оба транзистора окажутся насыщенными даже после того, как управляющий ток будет уменьшен до нуля. Таким образом, даже короткий импульс управления может вызвать лавинообразный процесс увеличения тока, обусловленный действием положительной обратной связи. При этом коллекторный переход П2 будет смещён в прямом направлении. У каждого из двух транзисторов напряжение в насыщенном состоянии является суммой напряжений на обоих переходах: у одного U_П1+U_П2, у другого U_П2+U_П3.

 

 Так как напряжение U_П2 противоположно по знаку U_П1 и U_П3, напряжение насыщения четырехслойной структуры может быть мало, поскольку при суммировании всех трех напряжений полное прямое падение напряжения оказывается примерно равным падению напряжения на одном переходе, смещенном в прямом направлении. Таким образом, все три перехода будут иметь прямое смещение, и от анода к катоду через тиристор может протекать значительный ток при весьма низком падении напряжения.

Примечание. В приведенном выше обсуждении работы четырехслойной структуры предполагалось, что управляющий электрод соединен с областью р₂. Очевидно, что такое же действие может быть по­лучено при соединении управляющего электрода с областью n₁ (тиристор с управлением по аноду), но направление управляющего тока при этом должно быть изменено.

 

 

Процесс отпирания тиристора.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое с помощью тока управления называют включением тиристора. При этом в цепь управления подается кратковременный импульс тока необходимой амплитуды и длительности

Используя обозначения рис. 7б, можно написать следующие соотношения:

                                          (1)

                                (2)

                                    (3)

                                  (4)

где I_А, I_кат, I_упр – ток анода, катода и управляющего электрода тиристора соответственно;

       I_К1, I_К2 – катодные токи транзисторов VT1, VT2 двухтранзисторной схемы земещения; 

       М – коэффициент лавинного размножения носителей заряда,

       I₀ – ток утечки.

Центральный переход П2 разделен пополам, и поэтому ток утечки через него I₀ входит с коэффициентом 0,5 в выражения для обоих коллекторных токов I_К1 и I_К2. Подставив соотношения (3) и (4) в уравнение (2), получим уравнение:

                                   . (5)

Это уравнение показывает, что при

                                               (6)      

ток анода I_А бесконечно растет, что соответствует переходу структуры в описанное ранее состояние проводимости, когда на переходе П2 оказывается прямое напряжение смещения.

Примем для простоты, что М=1. Если оба коэффициента a₁ и a₂ неизменны и a₁+a₂<1, то оба составляющих транзистора не могут быть доведены до насыщения. При этом переход структуры в состояние проводимости может быть обусловлен лишь лавинным размножением носителей или пробоем перехода П2 при высоких напряжениях. Если же a₁ и a₂ неизменны, но a₁+a₂>1, то структура находится все время в состояния проводимости и не может запирать напряжение. Специфика процесса включения реальной структуры заключается в том, что коэффициенты a не постоянны и являются функциями тока и температуры.

При низких плотностях тока эмиттера основная потеря носителей зарядов в любом из транзисторов происходит в центрах ре­комбинации в области пространственного заряда эмиттера. Так как при этом только небольшая доля тока эмиттера доходит до коллектора, коэффициенты a малы. По мере увеличения плотности тока эмиттера ток рекомбинации составляет все меньшую долю от полного тока, и коэффициенты a растут, пока величина a₁ и a₂ не становится больше единицы, что вызывает скачкообразное включение прибора. Коэффициенты a зависят также от приложенного напряжения, но эта зависимость менее заметна.

Влияние управляющего тока сводится к увеличению тока эмиттера, вызывающему рост a, пока не будет достигнуто равенство (6). С увеличением управляющего тока прямое напряжение, при котором происходит отпирание, снижается (рис. 6).

Когда управляющий ток достигает достаточно большого значения I_{у. спр}, область запертого состояния в прямом направлении исчезает и вольт-амперная характеристика прибора приближается, по существу, к прямой характеристике простого p-n-перехода.

 

Процесс запирания тиристора.

Когда прибор находится в состоянии проводимости, электроны и дырки интенсивно инжектируются в два внутренних слоя структуры. Фактически, как упоминалось выше, начальная концентрация примесей в этих слоях относительно мала, и поэтому для поддержания зарядной нейтральности и устранения чрезмерно сильного прямого падения напряжении необходимо, чтобы концентрации инжектируемых электронов и дырок были примерно равными.

Возврат прибора в запертое состояние требует устранения введенных носителей. Естественно, что, если анодный ток снижается до уровня, меньшего, чем ток удержания I_уд, то количество но­сителей зарядов уменьшается в результате рекомбинации, положительная обратная связь прекращается и прибор возвращается в закрытое состояние.

При работе тиристоров в области промышленных частот такой относительно медленный процесс не вызывает особых проблем. При работе на переменном напряжении обратный полупериод оказывает полезное влияние на процесс запирания, так как приложенное к прибору обратное напряжение способствует исчезновению остаточных носителей, что необходимо для запирания тиристора к началу следующего иолупериода.

Когда тиристор используется как выключатель в цепях, отлич­ных от цепей переменного тока, например в инверторах и других устройствах, для затирания прибора необходимо предусмотреть осо­бые меры. В цепи постоянного тока тиристор можно выключить путем уменьшения его прямого тока до значения меньшего тока удержания или подачей на анод А импульса обратной полярности (например, с помощью разрядки конденсатора).

При реверсировании напряже­ния электроны и дырки, накопившиеся во внутренних областях, будут уходить в направлении переходов П1 и П3. Это приводит к прохож­дению обратного тока через внешнюю цепь. Напряжение на зажи­мах тиристора сохраняется на уровне порядка 0,7 – 1,0 В до мо­мента прекращения обратного тока, когда переходы П1 и П3 ока­зываются запертыми. Однако этого недостаточно для полного вос­становления, так как вблизи центрального перехода П2 еще сохра­няются остаточные носители. Исчезновение этих носителей проис­ходит за счет рекомбинации, которая по существу не зависит от внешнего смещения. Когда рекомбинация этих носителей практиче­ски полностью заканчивается, переход П2 возвращается в запертое состояние. Если рекомбинация остаточных носителей не будет в достаточной мере завершена, то они могут вызвать инжектирование новых носителей со стороны переходов П1 и П3, когда по­следние вновь получат прямое смещение в начале следующего цикла работы.

Тиристор также можно выключить снижением до нуля прямого тока обычным размыканием силовой анодно-катодной цепи либо кратковременным замыканием накоротко анода и катода.

В цепи переменного тока тиристор можно включить в любой момент положительной полуволны (прямого напряжения) подачей импульса на управляющий электрод. Такой способ управления называется импульсно-фазовым способом включения тиристора. Выключение происходит при прохождении тока (в цепи анод-катод) через нуль вместе с синусоидой напряжения.

 

Потери мощности в тиристоре

 

Тиристоры могут использоваться в силовых цепях с коммутируемой мощностью до 10 – 100 кВт. При таких мощностях даже незначительные в процентном соотношении потери в силовых ключах в абсолютном выражении достаточно велики, при этом вся мощность выделяется в весьма малом объёме полупроводниковой структуры, что приводит к значительному увеличению её температуры и вероятность выхода прибора из строя увеличивается.

Нагрев p-n-p-n-структуры обусловлен электрическими потерями в ней, которые можно разделить на пять видов:

1) потери за счёт прямого падения напряжения при протекании прямого тока (основные в устройствах промышленной частоты);

2) потери за время переключения тиристора (коммутационные или динамические потери), преобладают в устройствах повышенной частоты (преобразователях частоты), устройствах с большим значением di/dt;

3) потери в цепи управляющего электрода (потери управления);

4) потери от тока утечки в прямом направлении (при закрытом тиристоре);

5) потери от тока утечки в обратном направлении (при обратном напряжении).

 

Распределение потерь всех видов во времени можно проиллюстрировать на примере управляемого однополупериодного выпрямителя (резистивная нагрузка) при помощи графиков рис. 8. Пока тиристор закрыт, всё входное напряжение приложено к тиристору. При этом через него протекает незначительный ток утечки. Произведение мгновенных значений тока и напряжения на этом промежутке времени даёт мгновенные значения мощности потерь (потери вида 4). При появлении импульса управления происходит переход тиристора из закрытого в открытое состояние. Переключение тиристора занимает определённое время, в течение которого ток через тиристор может быть уже достаточно большим, а прямое напряжение ещё значительно превышать напряжение на полностью открытом тиристоре. Вследствие чего наблюдается всплеск мощности потерь (потери вида 2). В этот же промежуток времени в виде тепла выделяются потери управления (вида 3). На открытом тиристоре наблюдается прямое падение напряжения величиной до 1-1,5 В, ток силовой цепи при этом может, в зависимости от типа тиристора, достигать сотен ампер (потери вида 1). При запирании тиристора также имеют место коммутационные потери, но, так как ток и напряжение в этот момент переходят через ноль, значение мощности потерь меньше, чем при отпирании. При обратном напряжении имеет место незначительный обратный ток, и, как следствие, возникают потери вида 5.

Для эффективного отвода энергии потерь от полупроводниковой структуры мощных тиристоров используют радиаторы из материала с хорошей теплопроводностью (алюминиевые сплавы) со значительной площадью поверхности охлаждения. Часто совместно с радиаторами используются системы принудительного обдува (вентиляторы).

 

Управляемые выпрямители

 

Управляемые выпрямители преобразуют переменное (двухполярное) напряжение в постоянное (однополярное) и, кроме того, позволяют плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения.

Принцип регулирования напряжения рассмотрен на примере управляемого однополупериодного выпрямителя (рис. 9). Пусть напряжение на входе схемы изменяется по закону . В интервале , пока не подан управляющий сигнал на УЭ, тиристор закрыт, ток в нагрузочном резисторе R _н отсутствует и напряжение u _н (t)=0. В момент времени t ₁, определяемый углом управления α, от блока управления БУ поступает импульс тока управления; тиристор включается, и появляется ток в резисторе R _н; кривая напряжения u _н (t) в интервале  повторяет кривую напряжения источника питания. При переходе напряжения источника питания через нуль () тиристор выключается. В интервале  к нему приложено обратное напряжение и он остается закрытым. В момент времени, соответствующий углу , вновь подается управляющий импульс, тиристор включается. Далее процессы повторяются.

 Изменяя значения угла  от 0 до 180°, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения от максимального, равного , до нуля. Среднее за период значение выпрямленного напряжения

                           .     (7)

 Зависимость выпрямленного напряжения от угла α называется регулировочной характеристикой выпрямителя.

 Одна из схем управляемого двухполупериодного выпрямителя представлена на рис. 10а. Выпрямление напряжения в этой схеме осуществляет мостовой выпрямитель, а регулирование напряжения – тиристор VS, включенный последовательно с нагрузочным резистором R _н. Поскольку здесь используются оба полупериода напряжения (рис. 10б), при одном и том же угле α среднее значение выпрямленного напряжения в 2 раза больше, чем в однополупериодной схеме:

                         .      (8)

 

 

 

Однофазный однополупериодный выпрямитель

В таком выпрямителе диод VD включен последовательно с нагрузочным резистором R_Н и вторичной обмоткой трансформатора Т (рис. 5а).

Рис. 5. Схема (а), временные диаграммы (б) напряжения (добавить напряжение на диоде) и тока однополупериодного выпрямителя

 

В течение каждого положительного полупериода синусоидального напряжения u₂(t) (рис. 5 б) диод открыт, и ток в нем, нагрузке и вторичной обмотке трансформатора имеет вид полуволны синусоиды, а u_Н (t) = u₂ (t). В отрицательные полупериоды диод закрыт, ток в цепи и напряжение на резисторе равны нулю. Все напряжение u₂ (t) приложено к диоду.