Por que os inversores modernos usam transistores, não tiristores

Os tiristores pertencem a dispositivos semicondutores da estrutura p-n-p-n e, de fato, pertencem a uma classe especial transistores bipolares, dispositivos transitórios de quatro camadas, três (ou mais) com condutividade alternada.

O dispositivo tiristor permite que ele funcione como um diodo, ou seja, passe a corrente em apenas uma direção.

E também como um transistor de efeito de campo, tiristor existe um eletrodo de controle. Além disso, como diodo, o tiristor tem uma peculiaridade - sem injeção de portadores de carga de trabalho minoritários através do eletrodo de controle, ele não entra em um estado condutor, ou seja, não abre.

Um modelo simplificado de tiristor permite compreender que o eletrodo de controle aqui é semelhante à base de um transistor bipolar; no entanto, há uma limitação de que é possível desbloquear o tiristor usando essa base, mas não pode ser bloqueado.

Um tiristor, como um potente transistor de efeito de campo, pode, é claro, trocar correntes significativas. E, diferentemente dos transistores de efeito de campo, as potências comutadas por tiristores podem ser medidas em megawatts em altas tensões operacionais. Mas os tiristores têm uma séria desvantagem - um tempo significativo de desligamento.

Para travar o tiristor, é necessário interromper ou reduzir significativamente sua corrente direta por um tempo suficientemente longo, durante o qual os portadores de carga principal sem equilíbrio, pares de elétrons-buraco, teriam tempo para recombinar ou resolver. Até que a corrente seja interrompida, o tiristor permanecerá em um estado condutor, ou seja, continuará se comportando como diodo.

Os circuitos de comutação de corrente senoidal CA fornecem aos tiristores um modo de operação adequado - uma tensão senoidal influencia a transição na direção oposta, e o tiristor é bloqueado automaticamente. Mas, para manter a operação do dispositivo, é necessário aplicar um pulso de controle de desbloqueio ao eletrodo de controle em cada meio ciclo.

Em circuitos com energia CC, eles recorrem a circuitos auxiliares adicionais, cuja função é reduzir à força a corrente de ânodo do tiristor e devolvê-la ao estado bloqueado. E como as portadoras de carga se recombinam quando bloqueadas, a velocidade de comutação do tiristor é muito menor do que a de um potente transistor de efeito de campo.

Se compararmos o tempo de fechamento completo do tiristor com o tempo de fechamento completo do transistor de efeito de campo, a diferença atinge milhares de vezes: um transistor de efeito de campo precisa de vários nanossegundos (10-100 ns) para fechar e o tiristor requer vários microssegundos (10-100 μs). Sinta a diferença.

Obviamente, existem áreas de aplicação de tiristores em que os transistores de efeito de campo não resistem à competição com eles. Para tiristores, praticamente não há restrições quanto à potência comutada máxima permitida - essa é a sua vantagem.

Os tiristores controlam megawatts de potência em grandes usinas de energia, em máquinas de solda industriais trocam correntes de centenas de amperes e também tradicionalmente controlam fornos de indução de megawatt em usinas siderúrgicas. Aqui, os transistores de efeito de campo não são aplicáveis ​​de forma alguma. Nos conversores pulsados ​​de potência média, os transistores de efeito de campo vencem.

Um longo desligamento do tiristor, como mencionado acima, é explicado pelo fato de que, quando ligado, requer a remoção da tensão do coletor e, como um transistor bipolar, o tiristor demora um tempo finito para recombinar ou remover os transportadores minoritários.

Os problemas que causam tiristores em conexão com essa peculiaridade estão relacionados principalmente à incapacidade de alternar em alta velocidade, como os transistores de efeito de campo podem fazer.E mesmo antes que a tensão do coletor seja aplicada ao tiristor, o tiristor deve ser fechado; caso contrário, as perdas de potência de comutação são inevitáveis, o semicondutor superaquecerá.

Em outras palavras, o limite de dU / dt limita o desempenho. Um gráfico de dissipação de energia em função da corrente e pontualidade ilustra esse problema. A alta temperatura dentro do cristal do tiristor pode não apenas causar um alarme falso, mas também interferir na comutação.

Nos inversores ressonantes dos tiristores, o problema de travamento é resolvido por si só, onde a onda de polaridade reversa leva ao travamento do tiristor, desde que a exposição seja bastante longa.

Isso revela a principal vantagem dos transistores de efeito de campo sobre os tiristores. Os transistores de efeito de campo são capazes de operar em frequências de centenas de quilohertz, e o controle hoje não é um problema.

Os tiristores funcionarão de forma confiável em frequências de até 40 kilohertz, mais perto de 20 kilohertz. Isso significa que se os tiristores fossem usados ​​em inversores modernos, os dispositivos com uma potência suficientemente alta, digamos, 5 quilowatts, seriam muito pesados.

Nesse sentido, os transistores de efeito de campo tornam os inversores mais compactos devido ao menor tamanho e peso dos núcleos dos transformadores de potência e bobinas de bobina.

Quanto maior a frequência, menor o tamanho necessário de transformadores e bloqueadores para converter a mesma potência, é conhecido por todos os que estão familiarizados com o circuito dos modernos conversores de pulso.

Obviamente, em algumas aplicações, os tiristores são muito úteis, por exemplo dimmers para ajustar o brilho da luzoperando com uma frequência de rede de 50 Hz, em qualquer caso, é mais lucrativo fabricar em tiristores; eles são mais baratos do que se transistores de efeito de campo fossem usados ​​lá.

E em inversores de soldagemPor exemplo, é mais rentável usar transistores de efeito de campo, precisamente por causa da facilidade de controle de comutação e da alta velocidade dessa comutação. A propósito, ao mudar de um tiristor para um circuito de transistor, apesar do alto custo deste último, componentes caros desnecessários são excluídos dos dispositivos.