آشنایی با تریستور

[.sOuDeH. 16,059]

تریستور از چهار نیمه هادی درست شده که دوتای آن از نوع Nو دوتای دیگر از نوع Pاست .یعنی یک نیمه هادی به سه نیمه هادیهیک ترانزیستور اضافه شده تا تعداد نیمه هادی ها برابر شود (PNPN) .تریستور مانند سه دیود است کار کرد درونیش نسبت به تعریف دیود. در ترانزیستورها خواندید که درون یک ترانزیستور را می توان به دو دیود تشبیه کرد که بین دو نیمه هادی پی و اِن یک ناحیه درست می شود که به آن سد پتانسیل می گویند .این سد در حالت عادی از عبور جریان جلوگیری می کند.فکر کنید که ما به بیس ترانزیستور گیت بگوییم و پایه کلکتور را که کلکتور را به بیرون وصل می کند از کلکتور جدا کنیم و در ادامه کلکتور یک نیمه هادی از جنس مخالفش به آن وصل کنیم و از این نیمه هادی چهارمی به جای کلکتور خروجیمان را بگیریم . حال اگر ما به گیت یک ولتاژ مثبت اعمال کنیم همان رخ می دهد که وقتی به بیس یک ولتاژ اعمال می کردیم. یعنی مانند یک دیود عمل می کنند دو نیمه هادی ما که از دو جنس متفاوت هستند.اما جریان در نیمه هادی دومی می ماند و پیش نمی رود. چرا اینگونه می شود؟ چون دیگر مانند ترانزیستور نیست که نیمه هادی سومی آن (کلکتور)به مثبت) منبع اتصال داشته باشد. اما اگر ما نیمه هادی چهارمی را به مثبت وصل کنیم چه می شود؟ در این هنگام می بینیم که جریانی از آند به کاتود حرکت می کند و اگر ما ولتاژ اعمالی به گیت را هم قطع و دیگر اعمال نکنیم ،هیچ تغییری نمی کند و جریان برقرار است . امّا چرا؟

مقدمه

تریستورها جزو عناصر نیمه هادی هستند که از 4 لایه ی p - n - p – n تشکیل شده اند. تریستورها دارای 3 پایه هستند ؛ پایه ی اول آنود (A) نام دارد، پایه ی دوم کاتود (K) و پایه ی سوم گیت (G) نام داردتریستورها دارای سه پیوند J3 ،J2 ،J1 هستند؛ که پیوند J1,J3 دارای بایاس مستقیم و پیوند J2 دارای بایاس معکوس است. از همینجا مشخص است که تریستور برای هدایت جریان باید پیوند J2 (که دارای بایاس معکوس است) را بشکند. حداقل جریان لازم برای شکستن پیوند J2 جریان تثبیت کننده (Latching Current) نام دارد. همچنین جریانی که لازم است J2 را شکسته نگه دارد جریان نگهدارنده (Holding Current) نامیده می شود. به طوری که اگر جریان آند به مقداری کمتر از جریان نگه دارنده (و یا صفر) برسد تریستور خاموش می شود.

انواع تریستورها:

تریستور کنترل فاز (SCR): silicon controlled rectifier فرکانس پایین ، زمان خاموش شدن تریستور بین 50 تا 100 میکرو ثانیه

تریستور کلید زنی (SCR): فرکانس بالا ، زمان خاموش شدن تریستور بین 5 تا 50 میکرو ثانیه

تریستور خاموش شونده با گیت (GTO): (GTO - gate turn-off thyristor) با اعمال پالس مثبت روشن و با پالس منفی خاموش می شود (مزایا : حذف مدار کموتاسیون ، کاهش نویز ، قطع سریع تر و کاربرد در فرکانس بالا)

تریستور دو جهته (تریاک): (TRIAC - triode ac switch) این تریستور در دو جهت هدایت دارد

تریستور هدایت معکوس: (reverse conducting thyristor) در این تریستور دیود برای حفاظت تریستور در مقابل ولتاژ شکست،معکوس قرار داده می شود

تریستور کنترل شونده با FET (FET CTh - FET Controlled Thyristors)در اینجا یک FET به صورت موازی با تریستور قرار گرفته است.

تریستور کنترل شونده با MOS (MCT - MOS Controlled Thyristor) این وسیله ترکیبی از مشخصه های یک تریستور 4 لایه و ساختار گیت MOS است

تریستور القاء استاتیک: (SITh - Static Induction Thyristor) این تریستور از Mosfet ساخته شده و در فرکانس های خیلی بالا کاربرد دارد. ی

کسو کننده های کنترل شده ی سیلیکونی فعال شده با نور(LASCR - Light Activated Silicon Controlled Rectifier)

تریستورها از سال ها پیش در مبدل ها و سیستم های کنترل سرعت ماشین های الکتریکی به کار رفته است. در مبدل ها عمدتا از تریستور به عنوان ابزار کلیدزنی (سوئیچینگ) استفاده می شود.

مشخصه های کلیدزنی (سوئیچینگ)

اگر تریستور در حالت بایاس مستقیم قرار داشته باشد به شرطی که پالس جریان (Ig) به پایه ی گیت اعمال شود تریستور روشن می شود. در این هنگام (هدایت تریستور) می توانیم جریان Ig را از گیت برداریم و تریستور باز هم در حالت روشن باقی می ماند.

انواع روش های روشن کردن تریستور:

گرما: افزایش دما باعث افزایش تعداد زوج الکترون - حفره ها و درنهایت افزایش جریان نشتی و روشن شدن تریستور می شود (این روش مناسب نیست)

نور: اگر لایه ی J2 حساس به نور باشد و به لایه ی J2 نور تابانده شود تعداد زوج الکترون - حفره ها افزایش یافته و باعث روشن شدن تریستور می شود (این روش در ایزولاسیون به کار می رود)

ولتاژ زیاد: اگر ولتاژ آند به کاتد از ولتاژ شکست مستقیم Vboبزرگتر شود باعث روشن شدن ناخواسته ی تریستور می شود.

dv/dt: اگر شیب افزایش ولتاژ آنود به کاتد زیاد باشد در رابطه ی Ic = C dv/dt جریان نشتی بایاس مستقیم زیاد شده و باعث روشن شدن ناخواسته ی تریستور می شود در مقیاس بالاتر باعث سوختن تریستور می شود.

جریان گیت: اگر تریستور در حالت جریان مستقیم باشد ، تزریق جریان به گیت منجر به روشن شدن تریستور می شود. این روش بهترین روش است زیرا کنترل شده، دقیق و آسان است. همانطور که در مقدمه ذکر شد اگر جریان تریستور (جریان آنود) به صفر برسد تریستور خاموش می شود به این حالت کموتاسیون طبیعی می گوییم ولی اگر جریان به اجبار صفر شود به آن کموتاسیون اجباری می گوییم.

کموتاسیون:پروسه ی خاموش شدن تریستور یا انتقال جریان از یک تریستور به تریستور دیگر را کموتاسیون می گویند. با توجه به منحنی مشخصه ی تریستور، در دو حالت امکان خاموش شدن تریستور وجود دارد؛ اول اینکه جریان تریستور کمتر از جریان نگه دارنده (که در بالا توضیح داده شد) برسد. و روش دوم اینکه ولتاژ دو سر تریستور منفی شود.

کموتاسیون به دو دسته تقسیم می شود: کموتاسیون طبیعی

کموتاسیون اجباری

کموتاسیون طبیعی

اگر منبع متناوب باشد جریان تریستور به طور طبیعی صفر شده و ولتاژ دو سر تریستور معکوس می شود که باعث می شود تریستور به خاطر رفتار طبیعی منبع ولتاژ خاموش شود که به این پدیده کموتاسیون طبیعی منبع یا کموتاسیون خط می گویند.

کموتاسیون اجباری

برای خاموش کردن تریستور به کمک یک مدار کمکی بنام مدار کموتاسیون ، ولتاژ دو سر تریستور را اجبارا منفی می کنند به این روش کموتاسیون اجباری می گویند.

انواع کموتاسیون اجباریکموتاسیون خود به خود (Self commutation)

کموتاسیون ضربه (Impulse commutation)

کموتاسیون پالس تشدید شده (Resonant pulse commutation)

کموتاسیون مکمل (Complementary commutation)

کموتاسیون پالس خارجی (External commutation)

کموتاسیون در سمت بار (Load side commutation)

کموتاسیون در سمت خط (Line side commutation)

کموتاسیون ضربه با یک تریستور و یک دیود

انواع حفاظت های تریستورحفاظت در برابر di/dt: تغییرات سریع جریان باعث نقطه سوز شدن تریستور می شودروش حفاظت در مقابل آن قرار دادن یک سلف به صورت سری با تریستور جهت جلوگیری از تغییرات سریع جریان می شود.

حفاظت در برابر dv/dt: تغییرات سریع ولتاژ باعث روشن شدن ناخواسته ی تریستور می شود و حتی ممکن است به تریستور آسیب برسدروش حفاظت در مقابل آن استفاده از خازن موازی با تریستور است تا از تغییرات شدید ولتاژ جلوگیری کند.

حفاظت در برابر گرما: به خاطر تلفات وضعیت روشن و کلید زنی ، در المان های قدرت گرما تولید می شود این گرما باید از تریستور به گرماگیر (هیت سینک) منتقل شود تا دمای پیوند در محدوده ی مجاز باقی بماند.

حفاظت در برابر ولتاژ زیاد: ولتاژ های اضافی گذرا طبق منحنی مشخصه اگر از ولتاژ شکست معکوس بیشتر شود باعث سوختن تریستور می شود. برای حفاظت در برابر ولتاژهای اضافی گذرا از دیود سلنیم (وریستور) استفاده می شود. حفاظت در برابر جریان زیاد:در مبدل های توان ممکن است در شرایطی اتصال کوتاه یا خطای اضافه بار رخ دهد که این جریان اتصال کوتاه یا اضافه بار را باید سریعا قطع کرد.

برای حفاظت تریستور از فیوزهای قطع سریع استفاده می شود.