交流半導体デバイス

AC 半導体電気デバイスの回路図と設計は、目的、要件、動作条件によって決まります。非接触デバイスは幅広い用途に使用できるため、その実装にはさまざまな可能性があります。ただし、それらはすべて、必要な数の機能ブロックとそれらの相互作用を示す一般化されたブロック図で表すことができます。

図 1 は、ユニポーラ構造の AC 半導体デバイスのブロック図を示しています。これには、機能的に完全な 4 つのユニットが含まれています。

サージ保護素子 (図 1 の RC 回路) を備えた電源ユニット 1 は、スイッチング デバイスの基礎であり、その実行本体です。これは、制御されたバルブ、つまりサイリスタまたはダイオードの助けのみに基づいて行うことができます。

単一デバイスの電流制限を超える電流に対応するデバイスを設計する場合は、それらを並列接続する必要があります。この場合、導通状態での電流電圧特性の不均一性やターンオン時間の分布に起因する、個々のデバイスの電流の不均一な分布を解消するための特別な措置を講じる必要があります。

制御ブロック 2 には、制御または保護本体からのコマンドを選択して記憶し、設定されたパラメーターで制御パルスを生成し、サイリスタ入力へのこれらのパルスの到着を負荷の電流がゼロを横切る瞬間と同期させるデバイスが含まれています。

デバイスが回路スイッチング機能に加えて電圧と電流を調整する必要がある場合、制御ユニットの回路はさらに複雑になります。この場合、位相制御デバイスによって補完され、ゼロ電流に対して所定の角度だけ制御パルスをシフトさせます。

装置３の動作モード用のセンサブロックには、電流および電圧の測定装置、さまざまな目的の保護リレー、論理コマンドを生成し、装置のスイッチング位置を信号で伝える回路が含まれる。

強制スイッチング装置４は、コンデンサバンク、その充電回路、スイッチングサイリスタを組み合わせたものである。交流機械では、この装置は保護 (サーキットブレーカー) として使用される場合にのみ含まれます。

デバイスの電源部分は、対称サイリスタ (トライアック) (図 2、a) に基づいたサイリスタの逆並列接続 (図 1 を参照)、およびサイリスタとダイオードのさまざまな組み合わせ (図 2、図 2) に従って作成できます。 b および c)。

それぞれの特定のケースにおいて、回路オプションを選択する際には、次の要素を考慮する必要があります: 開発中のデバイスの電圧および電流パラメータ、使用されるデバイスの数、長期耐荷重容量および電流過負荷に対する耐性。サイリスタの取り扱いの複雑さの程度、重量とサイズの要件、およびコスト。

図1｜ACサイリスタデバイスのブロック図

図2｜交流半導体デバイスのパワーブロック

図 1 と 2 に示すパワー ブロックを比較すると、逆並列接続されたサイリスタを使用する方式が最大の利点を持っていることがわかり、このような方式はデバイスの数が少なく、寸法、重量、エネルギー損失、コストが小さくなります。

トライアックと比較して、単方向（一方向）導通のサイリスタは、より高い電流および電圧パラメータを持ち、大幅に大きな電流過負荷に耐えることができます。

タブレット サイリスタの熱サイクルはより高くなります。したがって、トライアックを使用する回路は、原則として単一デバイスの電流定格を超えないスイッチング電流、つまりグループ接続が必要ない場合に推奨できます。トライアックの使用は、電源ユニットの制御システムを簡素化するのに役立ちます。電源ユニットには、装置の極への出力チャネルが含まれている必要があることに注意してください。

図 2、b、c に示すスキームは、ダイオードを使用した交流スイッチング デバイスの設計の可能性を示しています。どちらの方式も管理は簡単ですが、多数のデバイスを使用するため欠点があります。

図 2、b の回路では、電源の交流電圧は、ダイオード ブリッジ整流器を使用して 1 つの極性の全波電圧に変換されます。その結果、整流器ブリッジの出力 (ブリッジの対角線) に接続された 1 つのサイリスタだけが、各半サイクルの初めに制御が行われた場合、2 つの半サイクル中に負荷の電流を制御できるようになります。パルスはその入力で受信されます。回路は、制御パルスの生成を停止した後、負荷電流の最も近いゼロクロスでスイッチオフされます。

ただし、回路の信頼性の高いトリップは、整流電流側の回路のインダクタンスが最小である場合にのみ保証されることに留意する必要があります。そうしないと、たとえ半サイクルの終わりに電圧がゼロに下がったとしても、サイリスタに電流が流れ続け、サイリスタがオフすることができなくなります。回路の緊急トリップ（トリップなし）の危険は、電源電圧の周波数が増加した場合にも発生します。

図 2 の回路では、負荷は互いに接続された 2 つのサイリスタによって制御され、それぞれのサイリスタは制御されていないバルブによって逆方向に操作されます。このような接続では、サイリスタのカソードが同じ電位になるため、共通のグランドを備えた単一出力または二出力の制御パルス発生器の使用が可能になります。

このような発電機の概略図は大幅に簡略化されています。さらに、図 2、c の回路内のサイリスタは逆電圧から保護されているため、順電圧に対してのみ選択する必要があります。

寸法、技術的特性、経済指標の点で、図2、b、cに示すスキームに従って作成されたデバイスは、図1 c、2、aに回路が示されているスイッチングデバイスよりも劣ります。それにもかかわらず、スイッチング電力が数百ワット単位で測定されるオートメーションおよびリレー保護装置で広く使用されています。特に、より強力なデバイスのサイリスタ ブロックを制御するパルス整形器の出力デバイスとして使用できます。

ティモフェエフ A.S.