Métodos de comutação de tiristores em eletrônica de potência

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A maioria dos equipamento conversor e fontes de alimentação comutadas usam eletrônica de potência componentes como tiristores, MOSFET e outros dispositivos semicondutores de potência para operações de comutação de alta frequência em classificações de alta potência. Considere os tiristores que usamos com frequência como interruptores biestáveis ​​em várias aplicações. Esses tiristores usam interruptores que precisam ser ligados e desligados. Para ligar os tiristores, existem alguns métodos de ativação dos tiristores chamados métodos de disparo dos tiristores. Da mesma forma, para desligar os tiristores, existem métodos chamados métodos ou técnicas de comutação de tiristores. Antes de discutir as técnicas de comutação do tiristor, devemos saber algo sobre os fundamentos do tiristor, como tiristor, operação do tiristor, diferentes tipos de tiristores e métodos de ativação do tiristor.

O que é um tiristor?

Dois a quatro dispositivos semicondutores de chumbo consistindo em quatro camadas de materiais alternados do tipo N e P são chamados tiristores. Geralmente são usados ​​como interruptores biestáveis ​​que conduzem apenas quando o terminal do gate do tiristor é acionado. Um tiristor também é chamado de retificador controlado de silício ou SCR.




Tiristor

Tiristor

O que é a comutação de SCR?

A comutação nada mais é do que o método de desligamento de um SCR. É um método usado para trazer um SCR ou tiristor do estado LIGADO para o estado DESLIGADO. Sabemos que um SCR pode ser ativado usando um sinal de porta em direção a um SCR quando ele está em polarização de encaminhamento. Mas o SCR precisa ser desligado quando necessário para controlar a energia, caso contrário, o condicionamento da energia.



Circuito de Comutação para SCR

Circuito de Comutação para SCR

Quando um SCR se move no modo de condução de encaminhamento, seu terminal de porta perde o controle. Para isso, algum circuito adicional deve ser usado para desligar o tiristor / SCR. Portanto, este circuito adicional é chamado de circuito de comutação.

Portanto, este termo é usado principalmente para transferir a corrente de um ane para outro. O circuito de comutação reduz principalmente a corrente direta a zero para desligar o tiristor. Portanto, as seguintes condições devem ser satisfeitas para desligar o tiristor quando ele estiver conduzindo.

  • A corrente direta do tiristor ou SCR deve ser reduzida a zero, caso contrário, abaixo do nível da corrente de retenção.
  • Uma ampla tensão reversa deve ser fornecida através do SCR / tiristor para recuperar sua condição de bloqueio direto.

Uma vez que o SCR é desligado diminuindo a corrente direta para zero, então existem portadores de carga excedentes dentro de diferentes camadas. Para recuperar a condição de bloqueio direto do tiristor, esses portadores de carga excedentes devem ser recombinados. Portanto, este método de recombinação pode ser acelerado pela aplicação de uma voltagem reversa no tiristor.


Métodos de Comutação do Tiristor

Como estudamos acima, um tiristor pode ser ligado disparando um terminal de porta com um pulso de curta duração de baixa tensão. Mas depois de ligar, ele conduzirá continuamente até que o tiristor seja polarizado reversamente ou a corrente de carga caia para zero. Esta condução contínua de tiristores causa problemas em algumas aplicações. O processo usado para desligar um tiristor é chamado de comutação. Pelo processo de comutação, o modo de operação do tiristor é alterado do modo de condução direta para o modo de bloqueio direto. Assim, os métodos de comutação do tiristor ou técnicas de comutação do tiristor são usados ​​para desligar.

As técnicas de comutação de tiristores são classificadas em dois tipos:

  • Comutação Natural
  • Comutação Forçada

Comutação Natural

Geralmente, se considerarmos o fornecimento de CA, a corrente fluirá através da linha de cruzamento zero enquanto vai de um pico positivo para um pico negativo. Assim, uma tensão reversa aparecerá no dispositivo simultaneamente, o que desligará o tiristor imediatamente. Este processo é chamado de comutação natural, pois o tiristor é desligado naturalmente sem usar nenhum componente externo ou circuito ou fonte para fins de comutação.

A comutação natural pode ser observada em controladores de tensão CA, retificadores de fase controlada e cicloconversores.

Comutação Forçada

O tiristor pode ser desligado pela polarização reversa do SCR ou pelo uso de componentes ativos ou passivos. A corrente do tiristor pode ser reduzida a um valor abaixo do valor da corrente de retenção. Uma vez que o tiristor é desligado à força, ele é denominado como um processo de comutação forçada. O eletrônica básica e componentes elétricos tais como indutância e capacitância são usados ​​como elementos de comutação para fins de comutação.

A comutação forçada pode ser observada durante o uso da alimentação DC, portanto, também é chamada de comutação DC. O circuito externo usado para o processo de comutação forçada é chamado de circuito de comutação e os elementos usados ​​neste circuito são chamados de elementos de comutação.

Classificação dos métodos de comutação forçada

Aqui, a classificação dos métodos de comutação do tiristor é discutida abaixo. Sua classificação é feita principalmente dependendo se o pulso de comutação é um pulso de corrente de um pulso de tensão, se está conectado em série / paralelo através do SCR a ser comutado, se o sinal é dado por um tiristor auxiliar ou principal, se o circuito de comutação é carregado de uma fonte auxiliar ou principal. A classificação dos inversores pode ser feita principalmente com base na localização dos sinais de comutação. A comutação forçada pode ser classificada em diferentes métodos da seguinte forma:

  • Classe A: auto comutado por uma carga ressonante
  • Classe B: Auto comutado por um circuito LC
  • Classe C: Cor L-C comutado por outro SCR de transporte de carga
  • Classe D: C ou L-C comutado por um SCR auxiliar
  • Classe E: Uma fonte externa de pulso para comutação
  • Classe F: comutação de linha AC

Classe A: autocomutado por uma carga ressonante

A Classe A é uma das técnicas de comutação de tiristores freqüentemente usadas. Se o tiristor for disparado ou ligado, a corrente do ânodo fluirá carregando capacitor C com ponto como positivo. O circuito subamortecido de segunda ordem é formado pelo indutor ou resistor AC , capacitor e resistor. Se a corrente aumentar através do SCR e completar o meio-ciclo, a corrente do indutor fluirá através do SCR na direção reversa, o que desligará o tiristor.

Método de Comutação de Tiristor Classe A

Método de Comutação de Tiristor Classe A

Após a comutação do tiristor ou desligamento do tiristor, o capacitor começará a descarregar de seu valor de pico através do resistor de forma exponencial. O tiristor estará na condição de polarização reversa até que a tensão do capacitor retorne ao nível da tensão de alimentação.

Classe B: Auto comutado por um circuito L-C

A principal diferença entre os métodos de comutação do tiristor classe A e classe B é que o LC é conectado em série com tiristor na classe A, enquanto em paralelo com o tiristor na classe B. Antes de disparar no SCR, o capacitor é carregado (o ponto indica positivo). Se o SCR for disparado ou receber um pulso de disparo, a corrente resultante terá dois componentes.

Método de Comutação de Tiristor Classe B

Método de Comutação de Tiristor Classe B

A corrente de carga constante fluindo através da carga R-L é garantida pela grande reatância conectada em série com a carga que é fixada com um diodo de giro livre. Se a corrente sinusoidal flui através do circuito ressonante L-C, o capacitor C é carregado com um ponto negativo no final do meio-ciclo.

A corrente total fluindo através do SCR torna-se zero com a corrente reversa fluindo através do SCR opondo-se à corrente de carga por uma pequena fração da oscilação negativa. Se a corrente do circuito ressonante ou corrente reversa se tornar um pouco maior do que a corrente de carga, o SCR será desligado.

Classe C: C ou L-C comutado por outro SCR de transporte de carga

Nos métodos de comutação de tiristor acima, observamos apenas um SCR, mas nessas técnicas de comutação de classe C de tiristor, haverá dois SCRs. Um SCR é considerado o tiristor principal e o outro como tiristor auxiliar. Nessa classificação, ambos podem atuar como SCRs principais transportando corrente de carga e podem ser projetados com quatro SCRs com carga no capacitor usando uma fonte de corrente para fornecer um conversor integral.

Método de Comutação de Tiristor Classe C

Método de Comutação de Tiristor Classe C

Se o tiristor T2 for acionado, o capacitor será carregado. Se o tiristor T1 for acionado, então o capacitor irá descarregar e esta corrente de descarga de C se oporá ao fluxo da corrente de carga em T2 quando o capacitor é comutado em T2 via T1.

Classe D: L-C ou C comutado por um SCR auxiliar

Os métodos de comutação de tiristor classe C e classe D podem ser diferenciados com a corrente de carga na classe D: apenas um dos SCRs transportará a corrente de carga, enquanto o outro atua como um tiristor auxiliar, enquanto na classe C ambos os SCRs transportarão a corrente de carga. O tiristor auxiliar consiste em um resistor em seu ânodo que tem uma resistência de aproximadamente dez vezes a resistência da carga.

Tipo Classe D

Tipo Classe D

Ao disparar o Ta (tiristor auxiliar), o capacitor é carregado até a tensão de alimentação e então o Ta é desligado. A tensão extra, se houver, devido à indutância substancial nas linhas de entrada, será descarregada através do circuito de carga indutor de diodo.

Se o Tm (tiristor principal) for disparado, a corrente fluirá em dois caminhos: a corrente de comutação fluirá pelo caminho C-Tm-L-D e a corrente de carga fluirá pela carga. Se a carga no capacitor for revertida e mantida nesse nível usando o diodo e se Ta for disparado novamente, então a voltagem através do capacitor aparecerá através do Tm via Ta. Assim, o tiristor principal Tm será desligado.

Classe E: Fonte de pulso externa para comutação

Para as técnicas de comutação de tiristores classe E, um transformador não pode saturar (pois está tendo um entreferro e entreferro suficientes) e capaz de transportar a corrente de carga com uma pequena queda de tensão em comparação com a tensão de alimentação. Se o tiristor T for disparado, a corrente fluirá através do transformador de carga e pulso.

Tipo Classe E

Tipo Classe E

Um gerador de pulso externo é usado para gerar um pulso positivo que é fornecido ao cátodo do tiristor por meio de um transformador de pulso. O capacitor C é carregado em cerca de 1v e é considerado como tendo impedância zero para a duração do pulso de desligamento. A voltagem através do tiristor é revertida pelo pulso do transformador elétrico que fornece a corrente de recuperação reversa e, durante o tempo de desligamento necessário, mantém a tensão negativa.

Classe F: Linha CA Comutada

Nas técnicas de comutação de tiristores classe F, uma tensão alternada é usada para alimentação e, durante o meio ciclo positivo dessa alimentação, a corrente de carga fluirá. Se a carga for altamente indutiva, a corrente permanecerá até que a energia armazenada na carga indutiva seja dissipada. Durante o meio-ciclo negativo, quando a corrente de carga chega a zero, o tiristor será desligado. Se houver tensão por um período do tempo de desligamento nominal do dispositivo, a polaridade negativa da tensão através do tiristor de saída o desligará.

Tipo Classe F

Tipo Classe F

Aqui, a duração do meio ciclo deve ser maior do que o tempo de desligamento do tiristor. Este processo de comutação é semelhante ao conceito de um conversor trifásico. Vamos considerar, principalmente T1 e T11 estão conduzindo com o ângulo de disparo do conversor, que é igual a 60 graus e está operando em modo de condução contínua com uma carga altamente indutiva.

Se os tiristores T2 e T22 forem acionados, instantaneamente a corrente através dos dispositivos de entrada não aumentará para o nível de corrente de carga. Se a corrente através dos tiristores de entrada atingir o nível de corrente de carga, o processo de comutação dos tiristores de saída será iniciado. Esta tensão de polarização reversa do tiristor deve ser continuada até que o estado de bloqueio direto seja alcançado.

Falha nos métodos de comutação do tiristor

A falha de comutação do tiristor ocorre principalmente porque eles estão comutados em linha e a queda de tensão pode levar a uma tensão inadequada para comutar, portanto, causa uma falha quando o tiristor seguinte é acionado. Portanto, a falha de comutação ocorre por vários motivos, alguns dos quais são discutidos abaixo.
Os tiristores fornecem um tempo de recuperação reversa bastante lento, de modo que a corrente reversa principal pode ser fornecida no encaminhamento da condução. Isso pode significar “corrente de falha”, que aparece de forma cíclica pela dissipação de energia associada que aparece na falha do SCR.

Em um circuito elétrico, a comutação é basicamente uma vez que o fluxo de corrente flui de um ramo do circuito para outro. Uma falha de comutação ocorre principalmente quando a mudança no caminho falha por qualquer motivo.
Para um inversor ou circuito retificador, que utiliza SCRs, uma falha de comutação pode ocorrer por dois motivos básicos.

Se um tiristor não ligar, o fluxo de corrente não mudará e o método de comutação ficará aquém. Da mesma forma, se um tiristor não desligar, o fluxo de corrente pode comutar parcialmente em direção ao próximo ramal. Portanto, isso também é considerado um fracasso.

Diferença entre técnicas de comutação natural e de comutação forçada

As diferenças entre comutação natural e comutação forçada são discutidas abaixo.

Comutação Natural

Comutação Forçada

A comutação natural usa tensão CA na entradaA comutação forçada usa tensão DC na entrada
Não usa componentes externosEle usa componentes externos
Este tipo de comutação é usado no controlador de tensão CA e retificadores controlados.É usado em inversores e choppers.
SCR ou tiristor serão desativados devido à tensão de alimentação negativaSCR ou tiristor serão desativados por causa da tensão e da corrente,
Durante a comutação, não há perda de energiaDurante a comutação, ocorre perda de energia
Sem custoCusto significativo

Um tiristor pode ser simplesmente chamado de retificador controlado. Existem diferentes tipos de tiristores, que são usados ​​para projetar com base em eletrônica de potência projetos elétricos inovadores . O processo de ligar o tiristor fornecendo pulsos de disparo ao terminal do gate é chamado de disparo. Da mesma forma, o processo de desligar o tiristor é chamado de comutação. Espero que este artigo forneça breves informações sobre as diferentes técnicas de comutação do tiristor. Mais assistência técnica será fornecida com base em seus comentários e dúvidas na seção de comentários abaixo.