サイリスタ: 動作原理、設計、種類と組み込み方法

サイリスタの動作原理

サイリスタはパワー エレクトロニクスであり、完全に制御可能なスイッチではありません。したがって、技術文献では、制御信号によってのみ導通状態に切り替えることができる、つまりオンにすることができる単一動作サイリスタと呼ばれることもあります。 (直流動作で) オフにするには、直流電流が確実にゼロになるように特別な措置を講じる必要があります。

サイリスタ スイッチは一方向にのみ電流を流すことができ、閉状態では順方向と逆方向の両方の電圧に耐えることができます。

サイリスタは、図に示すように、アノード (A)、カソード (C)、ゲート (G) の 3 つのリードを備えた 4 層 p-n-p-n 構造を持っています。 1

米。 1. 従来のサイリスタ: a) — 従来のグラフィック表示; b) — ボルトアンペア特性。

図では。図1bは、制御電流iGのさまざまな値における出力静的I-V特性のファミリーを示しています。サイリスタがターンオンせずに耐えられる限界順電圧は、iG = 0 で最大値になります。電流が増加すると、iG はサイリスタが耐えられる電圧を低下させます。サイリスタのオン状態は分岐 II に対応し、オフ状態は分岐 I に対応し、スイッチング プロセスは分岐 III に対応します。保持電流または保持電流は、サイリスタが導通状態を維持する最小許容順電流 iA に等しくなります。この値は、オン サイリスタの両端の順方向電圧降下の可能な最小値にも対応します。

ブランチ IV は、逆電圧に対する漏れ電流の依存性を表します。逆電圧が UBO の値を超えると、サイリスタの故障に伴って逆電流が急激に増加し始めます。降伏の性質は、半導体ツェナー ダイオードの動作に固有の不可逆プロセスまたはアバランシェ降伏プロセスに対応する可能性があります。

サイリスタは最も強力な電子スイッチであり、1 kHz 以下の周波数で最大 5 kV の電圧と最大 5 kA の電流の回路をスイッチングできます。

サイリスタの設計を図に示します。 2.

米。 2. サイリスタ ボックスの設計: a) — タブレット。 b) — ピン

直流サイリスタ

従来のサイリスタは、カソードに対して正極性の電流パルスを制御回路に印加することによってオンになります。ターンオン時の過渡現象の持続時間は、負荷の性質 (能動負荷、誘導負荷など)、制御電流パルス iG の振幅と上昇率、サイリスタの半導体構造の温度、印加電圧と負荷電流。サイリスタを含む回路では、制御信号 iG および現在の diA / dt からの上昇。同時に、制御信号の傾きは高くなければなりません。

サイリスタをオフにする方法の中で、自然ターンオフ (または自然なスイッチング) と強制 (または人工的なスイッチング) を区別するのが通例です。自然転流は、サイリスタが交流回路で動作し、電流がゼロに低下した瞬間に発生します。

強制スイッチングの方法は非常に多様ですが、最も典型的なものは次のとおりです: プリチャージされたコンデンサ C をスイッチ S に接続する (図 3、a)。 LC 回路をプリチャージされたコンデンサ CK に接続します (図 3 b)。負荷回路における過渡プロセスの振動特性の利用 (図 3、c)。

米。 3. サイリスタを人為的にスイッチングする方法: a) — 充電されたコンデンサ C を使用する。 b) — LC 回路の振動放電による。 c) — 負荷の変動特性による

図のように切り替えると、逆極性のスイッチング コンデンサを、たとえば別の補助サイリスタに接続すると、導通しているメイン サイリスタに放電が発生します。コンデンサの放電電流はサイリスタの順電流に逆らうため、後者はゼロに減少し、サイリスタがオフになります。

図の図では、図３のｂに示すように、ＬＣ回路の接続により、スイッチングコンデンサＣＫの振動放電が生じる。この場合、最初はサイリスタの順電流と逆の放電電流が流れ、両者が等しくなったところでサイリスタはオフします。さらに、LC 回路の電流はサイリスタ VS からダイオード VD に流れます。ループ電流がダイオード VD を流れると、開いたダイオードの両端の電圧降下に等しい逆電圧がサイリスタ VS に印加されます。

図の図では、 3 に示すように、サイリスタ VS を複雑な RLC 負荷に接続すると過渡現象が発生します。負荷の特定のパラメータでは、このプロセスは負荷電流の極性の変化に伴う発振特性を持つ可能性があります。この場合、サイリスタ VS がオフになった後、ダイオード VD がオンになり、次の電流が流れ始めます。逆極性。このスイッチング方法は、負荷電流の極性の変化を伴うため、準自然と呼ばれることもあります。

交流サイリスタ

サイリスタを AC 回路に接続すると、次の動作が可能になります。

• アクティブ負荷およびアクティブ・リアクティブ負荷による電気回路のオンとオフの切り替え。

• 制御信号のタイミングを調整できるため、負荷を流れる平均電流値と実効電流値が変化します。

サイリスタ スイッチは一方向にのみ電流を流すことができるため、交流サイリスタを使用する場合は並列接続が使用されます (図 4、a)。

米。 4. サイリスタの逆並列接続 (a) と有効負荷による電流の形状 (b)

平均と 実効電流 開信号がサイリスタ VS1 と VS2 に印加される時間の変化により変化します。角度を変えると（図4、b）。レギュレーション中のサイリスタ VS1 と VS2 のこの角度の値は、制御システムによって同時に変更されます。この角度は、サイリスタの制御角度または点火角度と呼ばれます。

パワー エレクトロニクス デバイスで最も広く使用されているのは、位相制御 (図 4、a、b) とパルス幅によるサイリスタ制御 (図 4、c) です。

米。 5. 次の負荷電圧のタイプ: a) — サイリスタの位相制御。 b) — 強制整流によるサイリスタの位相制御。 c) — パルス幅サイリスタ制御

強制転流によるサイリスタ制御の位相方式では、角度 α と角度 α の両方を変更することによって負荷電流の調整が可能です。人工スイッチングは、特別なノードを使用するか、完全に制御された (ロック) サイリスタを使用して実行されます。

Totkr 中にパルス幅制御 (パルス幅変調 - PWM) を使用すると、制御信号がサイリスタに適用され、サイリスタが開き、電圧 Un が負荷に適用されます。 Tacr 時間中、制御信号は存在せず、サイリスタは非導通状態になります。負荷に流れる電流の実効値

ここでIn.m。 — Tcl = 0 での負荷電流。

サイリスタの位相制御による負荷の電流曲線は非正弦波であり、これが電源ネットワークの電圧形状の歪みを引き起こし、高周波障害に敏感な消費者の動作に障害を引き起こします。いわゆる、この現象が発生します。電磁不適合。

ロックサイリスタ

サイリスタは、高電圧、大電流（大電流）回路の切り替えに使用される最も強力な電子スイッチです。しかし、それらには、制御性が不完全であるという重大な欠点があり、これは、それらをオフにするために、順電流をゼロに減少させる条件を作り出す必要があるという事実に現れています。多くの場合、これによりサイリスタの使用が制限され、複雑になります。

この欠点を解消するために、制御電極 G からの信号によってロックされるサイリスタが開発されました。このようなサイリスタは、ゲートオフ サイリスタ (GTO) またはデュアル オペレーションと呼ばれます。

ロッキング サイリスタ (ZT) は 4 層 p-p-p-p 構造をしていますが、同時に、従来のサイリスタとは完全に異なる、完全な制御性という特性を与える多くの重要な設計上の特徴を備えています。ターンオフ サイリスタの順方向の静的 I-V 特性は、従来のサイリスタの I-V 特性と同じです。ただし、ロックイン サイリスタは通常、大きな逆電圧を阻止することができず、多くの場合、逆並列ダイオードに接続されます。さらに、ロックイン サイリスタは、順方向電圧降下が大きいという特徴があります。ロック サイリスタをオフにするには、負の電流の強力なパルス (一定のオフ電流の値に対して約 1:5) を閉鎖電極の回路に印加する必要がありますが、持続時間は短い (10- 100μs）。

ロックイン サイリスタは、従来のサイリスタよりもカットオフ電圧と電流が低くなります (約 20 ～ 30%)。

サイリスタの主な種類

ロックインサイリスタを除いて、速度、制御方式、通電時の電流の方向などの違いにより、多種多様なサイリスタが開発されています。その中で、次のタイプに注意する必要があります。

• サイリスタ ダイオード。これは、逆並列接続されたダイオードを備えたサイリスタと等価です (図 6.12、a)。

• ダイオード サイリスタ (ダイニスタ) は、特定の電圧レベルを超えると導通状態に切り替わり、A と C の間に適用されます (図 6、b)。

• ロックサイリスタ（図6.12、c）;

• 対称サイリスタまたはトライアック。これは 2 つの逆並列接続されたサイリスタに相当します (図 6.12、d)。

• 高速インバータ サイリスタ (オフ時間 5 ～ 50 μs);

• たとえば、MOS トランジスタとサイリスタの組み合わせに基づくフィールド サイリスタ。

• 光束によって制御される光サイリスタ。

米。 6. サイリスタの従来のグラフィック表示: a) — サイリスタ ダイオード; b) - ダイオード サイリスタ (ダイニスタ); c) — ロックサイリスタ; d) — トライアック

サイリスタ保護

サイリスタは、順電流の上昇率 diA / dt と電圧降下 duAC / dt にとって重要なデバイスです。サイリスタは、ダイオードと同様に、逆回復電流の現象を特徴とし、その急激なゼロへの低下により、高い duAC / dt 値で過電圧の可能性が悪化します。このような過電圧は、回路の誘導性要素の電流が突然遮断されることによって発生します。 小さなインダクタンス インストール。したがって、サイリスタを保護するために通常はさまざまな CFTCP スキームが使用され、動的モードでは diA / dt および duAC / dt の許容できない値に対する保護が提供されます。

ほとんどの場合、内蔵サイリスタの回路に含まれる電圧源の内部誘導抵抗は十分であるため、追加のインダクタンス LS は導入されません。したがって、実際には、トリップサージのレベルと速度を低減するCFTが必要になることがよくあります（図7）。

米。 7. 代表的なサイリスタ保護回路

通常、この目的にはサイリスタと並列に接続された RC 回路が使用されます。 RC 回路にはさまざまな回路変更があり、サイリスタのさまざまな使用条件に応じてそのパラメータを計算する方法があります。

ロックイン サイリスタの場合、CFTT トランジスタと同様の回路を使用してスイッチング パスを形成します。