انواع تریستور – بررسی مشخصه ها و کاربردهای آنها

انواع تریستور – بررسی مشخصه ها و کاربردهای آنها

در مقاله پیشین به معرفی تریستور یا SCR پرداختیم و با طرز کار و نحوه روشن و خاموش کردن آن آشنا شدیم. اما در ادامه این مبحث در این مقاله به معرفی انواع تریستور و بررسی مشخصه ها و کاربردهای آنها خواهیم پرداخت. در الکترونیک صنعتی در کاربردهای ولتاژ بالا و جریان بالا از تریستورها به وفور استفاده می شود.  تریستورها بر اساس ساختمان فیزیکی و رفتار خاموش و روشن شدن به 13 گروه تقسیم می شوند که در این مقاله آنها را بررسی خواهیم کرد.

انواع تریستور

تریستورهای فاز-کنترلی  Phase Control Thyristors – SCR

اولین و ساده ترین انواع تریستور ، تریستورهای فازکنترلی هستند. این نوع تریستورها عموماً در فرکانس خط کار می کنند و به وسیله کموتاسیون طبیعی خاموش می شوند. زمان خاموش شدن این تریستور در حدود 50 تا 100 میکروثانیه است که برای کلید زنی در سرعت های کم مناسب ترین گزینه است؛ و با نام تریستور مبدل نیز شناخته می شود. از آنجا که تریستور اصولاً یک وسیله کنترل شده از جنس سیلیکون است، این دسته از تریستورها با نام یکسو کننده های کنترل شده سیلیکونی ( Silicon Controlled Rectifier ) نیز شناخته می شوند.

این تریستورها به علت قیمت کم، بازده بالا، پایداری و توانایی ولتاژ و جریان زیاد، بطور گسترده ای در مبدلهای DC به AC با فرکانس 50 یا 60 هرتز و کاربردهای کم هزینه که توانایی خاموش شدن در آنها عامل مهمی نیست بکار می روند.

تریستورهای کلید زنی سریع  Fast Switching Thyristors – SCR

دومین نوع از انواع تریستور تریستورهای کلید زنی سریع هستند که دارای سرعت سوئیچ از 5 تا 50 میکرو ثانیه هستند و کموتاسیون اجباری دارند.  هرجایی که نیاز به سرعت بالا در قطع و وصل باشد مثل اینورترها و یکسوکننده های دو جهته می توان از آنها استفاده کرد.  افت ولتاژ مستقیم تریستور در حالت روشن،  تقریباً تابع معکوسی از زمان خاموش شدن می باشد؛ از این رو این تریستور را تحت عنوان تریستور معکوس نیز می شناسند.

تریستورهای فاز-کنترلی دوسویه  Bidirectional controlled thyristors – BCT

یکی دیگر از انواع تریستور تریستورهای فاز-کنترلی دوسویه یا BCT  است. BCT مفهوم جدیدی برای کنترل فاز توان بالاست که نماد آن در شکل زیر نشان داده شده است.

مزیت های دو تریستور در یک بسته، در این قطعه ارائه شده است که شامل موارد زیر می باشد:

• اجازه طراحی فشرده تر را می دهد.
• سیستم خنک کننده را ساده تر می کند.
• اطمینان پذیری سیستم را افزایش می دهد.

BCT به طراح این امکان را می دهد که اندازه، فشرده سازی، اطمینان پذیری و هزینه محصول نهایی را بهبود بخشد. از BCT در موارد زیر استفاده می شود:

• جبران سازهای واکنشی ولت-آمپر (VAR)
• کلیدهای ایستا
• راه اندازهای نرم ( Soft Starter )
• راه اندازهای موتور

رفتار الکتریکی BCT مانند رفتار دو تریستور موازی-معکوس استکه در یک برش سیلیکونی قرار دارند. هر نیمه تریستور شبیه یک تریستور کامل با مشخصات پویا و ایستای آن کار می کند.

روشن و خاموش کردن BCT

یک BCT دو گیت دارد که یکی برای روشن شدن با جریان مستقیم و دیگری برای جریان معکوس است. تریستور با اعمال پالس جریان به یکی از گیتها روشن می شود و با کاهش جریان به مقداری پایین تر از جریان نگهدارنده که ناشی از رفتار طبیعی ولتاژ یا جریان است خاموش می شود.

تریستورهای خاموش شونده با گیت  Gate Turn-off Thyristors – GTO

از دیگر انواع تریستور که در سال های اخیر تکامل یافته اند تریستورهای خاموش شونده با گیت یا GTO می باشند. امروزه دو قطعه جدید از خانواده تریستورها،  یعنی تریستور نامتقارن و تریستور خاموش شونده با گیت در دسترس می باشند.

تریستور معمولی دارای دو پیوند P-N است که می تواند ولتاژ زیاد را در یک جهت یا جهت مقابل، سد نماید.  این نکته لازمه اساسی برای کاربرد در مدارهای یکسو ساز است. البته در مدارهای متناوب ساز یا اینورتر که به قابلیت سد کردن معکوس نیازی نیست، نیز استفاده می شوند.

برای کاهش زمان بازیابی حالت سد کردن تریستور پس از خاموش شدن، سیلیکون می تواند نازکتر ساخته شود؛ اما در این صورت قابلیت سد کردن ولتاژ معکوس آن از بین می رود. این قطعه را با نام تریستور نامتقارن می شناسد. در مدارهای اینورتر یک دیود بصورت موازی با تریستور متصل می شود، بنابراین از دست رفتن توانایی سد کردن ولتاژ معکوس اهمیتی ندارد؛ اما زمان کلیدزنی در قیاس با چند ده میکرو ثانیه در مورد تریستور معمولی به چند میکرو ثانیه کاهش خواهد یافت.

تفاوت های تریستور معمولی با تریستور خاموش شونده با گیت

تفاوت در خاموش شدن

تریستور معمولی را فقط می توان با صفر کردن جریان آند خاموش کرد اما تریستور خاموش شونده با گیت همان طور که از نامش پیداست، با حذف جریان گیت خاموش می شود و مانند تریستور معمولی با تزریق جریان به گیت روشن می شود. نماد مداری تریستور خاموش شونده با گیت، گسترشی از نماد تریستور معمولی است که نقش دو گانه پایه گیت در آن به نمایش در آمده است.

تفاوت در سد کردن ولتاژ

در تریستور خاموش شونده با گیت، هنگامی که جریان گیت وجود ندارد، مانند تریستور معمولی پیوند P–N مرکزی در مقابل ولتاژ مثبت آند نسبت به کاتد مقاومت می کند، اما مثل تریستور نامتقارن با ولتاژ معکوس کم با کاتد مثبت دچار شکست می شود.  GTO های سد کننده ولتاژ معکوس نیز در دسترس هستند اما این ویژگی به قیمت از دست دادن مقادیر نامی دیگر تمام می شود. مثالی از کاربرد آنها، بار تشدیدی است. در یک بار تشدیدی، GTO مانند تریستور معمولی اما با سرعت خاموشی بسیار زیاد مورد استفاده قرار می گیرد.

تفاوت در تثبیت

شرایط روشن شدن تریستور خاموش شونده با گیت مانند تریستور معمولی است، اما بعلت تفاوت ساختمان، جریان تثبیت کننده آن بیشتر است. حالت یک در میان گیت منجر به رسانایی سریع در سیلیکون می شود، اما لازم است که جریان گیت مدت طولانی تری در سطح بالا نگه داشته شود تا عمل تثبیت بطور اطمینان بخش انجام شود. برای پایین نگه داشتن افت ولتاژ آند–کاتد هنگام رسانایی، کمینه کردن جریان گیت مفید است. در غیر اینصورت ولتاژ حالت روشن و در نتیجه تلفات رسانایی کمی بیشتر از حد معمول است.

نکته

بعلت سازوکار داخلی تکثیر حامل ها که خودنگهدار است و جریان آند را در سطحی بالاتر از جریان تثبیت کننده نگه می دارد، تریستور پس از قطع جریان گیت در حالت روشن باقی می ماند. در GTO امکان توقف تکثیر حامل ها با برداشتن حفره ها از ناحیه P وجود دارد. این باعث می شود که ناحیه رسانایی به طرف آند در زیر ناحیه ای که الکترود کاتد در دورترین فاصله از الکترود گیت قرار دارد فشرده شود، تا اینکه تمام مسیرهای رسانایی قطع شوند.

وقتی جریان کاتد قطع شد، جریان گیت–آند برای مدت کوتاهی برقرار می شود تا قطعه حالت انسداد خود را باز یابد. میزان جریان لازم گیت برای خاموش شدن در حدود یک پنجم تا یک سوم جریان آند است که به مقدار چشمگیری بیشتر از جریان روشن شدن است.  زمان قطع این تریستور در مقایسه با سایر تریستورها کوتاهتر است.

هنگام روشن شدن، جریانی به گیت تزریق می شود و هنگام خاموش شدن، یک ولتاژ منفی روی گیت–کاتد می افتد که باعث حذف جریان گیت می شود. این ولتاژ باید کمتر از ولتاژ شکست معکوس گیت–کاتد و به اندازه ای باشد که بار لازم برای خاموش شدن را بیرون بکشد. خاموش شدن قطعه از نظر فیزیکی پیچیده است، اما اساس کار بر خارج کردن سریع بارها توسط یک جریان گیت بالا، نزدیک به جریان آند، استوار است.  این جریان در زمانی کمتر از 1us برقرار می شود. برای محدود کردن آهنگ افزایش ولتاژ آند هنگام خاموش شدن، یک خازن اسنابر با تریستور موازی می شود.

تریستورهای تریود دوسویه  Bidirectional Triode Thyristors – TRIAC

ترایاک وسیله ای است که می تواند در هر دوجهت هدایت کند و غالباً در کنترل فاز ac استفاده می شود.  هر ترایاک را می توان همانطور که در شکل زیر نمایش داده شده به صورت اتصال موازی–معکوس دو SCR که دارای گیت مشترک هستند در نظر گرفت.  از آنجایی که ترایاک یک وسیله دوجهته است، پایه های آن نامی تحت عنوان کاتد یا آند ندارند، و پایه های آن را MT1 و MT2 می نامند.( مخفف Main Terminal )

اگر ترمینال MT2 نسبت به ترمینال MT1 مثبت باشد، می توان با اعمال سیگنال مثبت به گیت بین پایه های گیت G و ترمینال MT1 ، ترایاک را روشن نمود. برای روشن کردن ترایاک نیازی نیست که دو سیگنال مثبت و منفی برای گیت داشته باشیم و وجود یک سیگنال مثبت یا منفی کفایت می کند.

تریستورهای هدایت معکوس  Reverse Conducting Thyristors – RCT

در بسیاری از مدارهای چاپر و اینورتر یک دیود بصورت موازی و معکوس با یک تریستور متصل می شود تا نیاز خاموشی مدار کموتاسیون را بهبود بخشیده و امکان برقراری جریان معکوس ناشی از بار سلفی را فراهم کند.  این دیود سطح ولتاژ انسداد معکوس تریستور را تا حد 1 تا 2 ولت در شرایط ماندگار محدود می کند. در شرایط گذرا ممکن است ولتاژ معکوس به خاطر ولتاژ القا شده در اندوکتانس پراکندگی مدار در قطعه به 30 ولت برسد.

RCT قطعه ای است که مشخصه های عنصر را با نیاز مدار تطبیق می دهد و می توان آن را همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، مشابه یک تریستور با یک دیود موازی معکوس در داخل آن در نظر گرفت. RCT تریستور نامتقارن نیز نامیده می شود. ولتاژ انسداد مستقیم بین 400 تا 2000 ولت تغییر کرده و جریان نامی آن می تواند تا 500 آمپر افزایش یابد. مقدار ولتاژ انسداد معکوس معمولاً بین 30 تا 40 ولت است.

از انجایی که نسبت جریان مستقیم گذرنده از تریستور به جریان معکوس دیود برای یک قطعه مقدار ثابتی است، کاربردهای آنها به طراحی مدارهای خاص محدود می شود.

تریستورهای القاء استاتیک  Static Induction Thyristors – SITH

از دیگر انواع تریستور SITH است که دیود کنترل میدانی ( FCD ) نیز نامیده می شود. مشخصات SITH به شرح ذیل می باشد:

• SITH قطعه ای با حامل های اقلیت است؛ در نتیجه مقاومت حالت روشن کم و افت ولتاژ پایینی دارد.
• می تواند با ولتاژ و جریانهای بالاتر کار کند.
• سرعت کلید زنی زیاد و  dv/dt‌ و di/dt بالایی دارد.
• زمان کلید زنی آن در حدود 1us تا 6us است.
• دارای مقادیر نامی ولتاژ تا 2500 ولت و جریان 500 آمپر می باشد.
• با اعمال پالس مثبت بین گیت و کاتد روشن می شود.
• با اعمال پالس منفی بین گیت و کاتد خاموش می شود.

یکسو سازهای سیلیکون – کنترلی فعال شونده با نور – LASCR

Light Activated Silicon Controlled Rectifiers

این تریستور یکی دیگر از انواع تریستور است که با تابش مستقیم نور به تراشه سیلیکونی روشن می شود. زوجهای حفره الکترونی که در اثر تابش نور ایجاد شده اند، تحت تأثیر میدان الکتریکی، جریان تریگر را تولید می کنند. ساختمان گیت طوری طراحی شده که به حد کافی حساس باشد تا توسط منابع نور عملی تریگر شود.

LASCR ها در کاربردهای جریان و ولتاژ بالا مانند: انتقال و تصحیح توان استاتیک یا جبران سازی VAR بکار می روند.

در LASCR میان منبع نوری محرک و قطعه کلید زنی مبدل توان، ایزولاسیون کامل الکتریکی وجود دارد.

ولتاژ نامی این تریستورها می تواند تا 4 کیلو ولت در جریان 1500 آمپر در شرایطی که توان منبع تریگر نوری کمتر از 100 میلی وات باشد، بالا رود.

تریستورهای FET – کنترلی  FET Controlled Thyristors – FET-CTH

یک عنصر FET–CTH از ترکیب موازی یک MOSFET و یک تریستور همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ،پدید می آید. اگر ولتاژ کافی به گیت MOSFET اعمال شود (معمولاً 3 ولت) یک جریان تحریک بطور داخلی برای تریستور تولید می شود. این عنصر سرعت کلید زنی، di/dt و dv/dt بالایی دارد.

این قطعه می تواند مانند تریستورهای معمولی روشن شود، اما نمی توان آن را با کنترل گیت خاموش کرد. کاربردهای این وسیله در مواردی است که باید از آتش کردن به وسیله نور استفاده شود تا عایق سازی الکتریکی بین ورودی یا سیگنال کنترل و عنصر کلید زنی مبدل قدرت فراهم گردد.

تریستورهای MOS – کنترلی MOS Controlled Thyristors – MCT

MCT از دیگر انواع تریستور است که خواص تریستور چهار لایه باززایشی و یک ساختار گیت MOS را ترکیب می کند؛ همانگونه که IGBT مزیتهای ساختار پیوندی دوقطبی و اثر میدانی را درهم می آمیزد. MCT تریستور را با یک زوج ماسفت برای روشن و خاموش شدن بهبود می دهد.

به دلیل استفاده از ساختار NPNP بجای PNPN در MCT ، این قطعه با اعمال پالس منفی روشن و با اعمال پالس مثبت خاموش می شود.

از جمله مشخصه های خوب این المان عبارتند از:

• سرعت سوئیچ بالا
• تلفات توان کم
• مقدار افت ولتاژ کم در حین هدایت
• امپدانس ورودی بالا

تریستورهای خاموش شونده ماس  MOS turn-off Thyristors – MTO

MTO نوع دیگری از انواع تریستور است که ترکیبی از GTO و MOSFET می باشد که با هم بر محدودیت قابلیت خاموش شدن GTO فایق می آیند.

MTO مانند GTO روشن می شود اما روش خاموش شدن آن با GTO متفاوت است. بطور کلی MTO بسیار سریعتر از GTO خاموش می شود و تلفات مربوط به ذخیره در GTO تقریباً حذف می شود. همچنین MTO دارای dv/dt‌ بالایی است و نیاز به عناصر اسنابر کوچکتری دارد.

تریستورهای خاموش شونده با امیتر  Emitter turn-off Thyristors – ETO

ETO هم نوع دیگری از انواع تریستور است که یک قطعه مرکب MOS-GTO می باشد که مزیتهای GTO و MOSFET در آن جمع شده است.

ETO دو گیت دارد:

• گیت طبیعی برای روشن شدن
• گیت با یک ماسفت سری برای خاموش شدن.

ETO های پرتوان با جریان نامی 4000 آمپر و ولتاژ نامی تا 6000 ولت کار می کنند.

یک ETO با اعمال ولتاژ مثبت به گیتهای 1 و 2 روشن می شود و با اعمال سگنال منفی به کاتد ماسفت خاموش می شود.

تریستورهای جابجاسازی شونده با گیت مجتمع – IGCT

Integrated gate-commutated thyristors

آخرین نمونه از انواع تریستور IGCT است که ترکیبی از تریستور گیت-جابجاسازی شده (GCT) با راه انداز گیت بورد چاپی چندلایه است. ساختار داخلی و مدار معادل GCT شبیه GTO است.

IGCT مانند GTO با اعمال جریان به گیت آن روشن می شود و با یک مدار راه انداز گیت چندلایه که می تواند پالسهای خاموش کننده سریع ایجا کند خاموش می شود. بعلت کوتاه بودن دوره پالس، انرژی راه انداز گیت، کمینه می شود و نیازهای توانی راه انداز گیت در مقایسه با GTO با ضریب 5 کاهش می یابد. برای اعمال جریان گیت بالا با آهنگ افزایش سریع تلاش ویژه ای برای کاهش القییدگی مدار گیت صورت گرفته است. این نکته برای مدارهای راه انداز MTO و ETO نیز لازم است.

موفق و پیروز باشید…

منبع:

الکترونيک قدرت – تاليف:دکتر علي مطلبي و مهندس مهرزاد ازقندي

الکترونيک قدرت -تاليف:پروفسورمحمد ه. رشيد

گوگل