¿Por qué los inversores modernos usan transistores, no tiristores?

Los tiristores pertenecen a dispositivos semiconductores de la estructura p-n-p-n y, de hecho, pertenecen a una clase especial transistores bipolares, dispositivos de transición de cuatro capas, tres (o más) con conductividad alterna.

El dispositivo tiristor le permite funcionar como un diodo, es decir, pasar corriente en una sola dirección.

Y también como un transistor de efecto de campo, tiristor Hay un electrodo de control. Además, como diodo, el tiristor tiene una peculiaridad: sin la inyección de portadores de carga de trabajo minoritarios a través del electrodo de control, no entrará en un estado conductor, es decir, no se abrirá.

Un modelo de tiristor simplificado nos permite comprender que el electrodo de control aquí es similar a la base de un transistor bipolar, sin embargo, hay una limitación de que es posible desbloquear el tiristor usando esta base, pero no se puede bloquear.

Un tiristor, como un poderoso transistor de efecto de campo, puede, por supuesto, cambiar corrientes significativas. Y a diferencia de los transistores de efecto de campo, las potencias conmutadas por tiristores se pueden medir en megavatios a altos voltajes operativos. Pero los tiristores tienen un serio inconveniente: un tiempo de desactivación significativo.

Para bloquear el tiristor, es necesario interrumpir o reducir significativamente su corriente continua durante un tiempo suficientemente largo, durante el cual los portadores de carga de trabajo principales sin equilibrio, pares de agujeros de electrones, tendrían tiempo de recombinarse o resolverse. Hasta que se interrumpa la corriente, el tiristor permanecerá en un estado conductor, es decir, continuará comportándose como diodo.

Los circuitos de conmutación de corriente sinusoidal de CA proporcionan a los tiristores un modo de funcionamiento adecuado: un voltaje sinusoidal sesga la transición en la dirección opuesta y el tiristor se bloquea automáticamente. Pero para mantener el funcionamiento del dispositivo, es necesario aplicar un impulso de control de desbloqueo al electrodo de control en cada medio ciclo.

En los circuitos con alimentación de CC, recurren a circuitos auxiliares adicionales, cuya función es reducir por la fuerza la corriente anódica del tiristor y devolverla al estado bloqueado. Y dado que los portadores de carga se recombinan cuando están bloqueados, la velocidad de conmutación del tiristor es mucho menor que la de un potente transistor de efecto de campo.

Si comparamos el tiempo de cierre completo del tiristor con el tiempo de cierre completo del transistor de efecto de campo, la diferencia llega a miles de veces: un transistor de efecto de campo necesita varios nanosegundos (10-100 ns) para cerrar, y el tiristor necesita varios microsegundos (10-100 μs). Siente la diferencia.

Por supuesto, hay áreas de aplicación de tiristores donde los transistores de efecto de campo no resisten la competencia con ellos. Para los tiristores, prácticamente no hay restricciones en la potencia conmutada máxima permitida, esta es su ventaja.

Los tiristores controlan megavatios de potencia en grandes centrales eléctricas, en máquinas de soldadura industriales cambian las corrientes de cientos de amperios, y también controlan tradicionalmente hornos de inducción de megavatios en fábricas de acero. Aquí, los transistores de efecto de campo no son aplicables de ninguna manera. En los convertidores pulsados ​​de potencia media, ganan los transistores de efecto de campo.

Un apagado prolongado del tiristor, como se mencionó anteriormente, se explica por el hecho de que cuando se enciende, requiere eliminar el voltaje del colector, y como un transistor bipolar, el tiristor tarda un tiempo finito en recombinarse o eliminar portadores minoritarios.

Los problemas que causan los tiristores en relación con esta peculiaridad están relacionados principalmente con la incapacidad para cambiar a altas velocidades, como pueden hacer los transistores de efecto de campo.E incluso antes de que el voltaje del colector se aplique al tiristor, el tiristor debe estar cerrado, de lo contrario las pérdidas de potencia de conmutación son inevitables, el semiconductor se sobrecalentará.

En otras palabras, la limitación dU / dt limita el rendimiento. Una trama de disipación de energía en función de la corriente y el tiempo ilustra este problema. La alta temperatura dentro del cristal de tiristor no solo puede causar una falsa alarma, sino que también puede interferir con la conmutación.

En los inversores resonantes en tiristores, el problema de bloqueo se resuelve por sí solo, donde el aumento de la polaridad inversa conduce al bloqueo del tiristor, siempre que la exposición sea bastante larga.

Esto revela la principal ventaja de los transistores de efecto de campo sobre los tiristores. Los transistores de efecto de campo son capaces de operar a frecuencias de cientos de kilohercios, y el control actual no es un problema.

Los tiristores funcionarán de manera confiable a frecuencias de hasta 40 kilohercios, más cerca de 20 kilohercios. Esto significa que si se usaran tiristores en inversores modernos, los dispositivos con una potencia suficientemente alta, digamos, 5 kilovatios, serían muy engorrosos.

En este sentido, los transistores de efecto de campo hacen que los inversores sean más compactos debido al menor tamaño y peso de los núcleos de los transformadores de potencia y los estranguladores.

Cuanto mayor es la frecuencia, menor es el tamaño que requieren los transformadores y las bobinas para convertir la misma potencia, es conocido por todos los que están familiarizados con los circuitos de los convertidores de pulso modernos.

Por supuesto, en algunas aplicaciones, los tiristores son muy útiles, por ejemplo atenuadores para ajustar el brillo de la luzoperando a una frecuencia de red de 50 Hz, en cualquier caso, es más rentable fabricar con tiristores, son más baratos que si se usaran transistores de efecto de campo allí.

Y en inversores de soldaduraPor ejemplo, es más rentable usar transistores de efecto de campo, precisamente por la facilidad de control de conmutación y la alta velocidad de esta conmutación. Por cierto, cuando se cambia de un tiristor a un circuito de transistor, a pesar del alto costo de este último, se excluyen componentes costosos innecesarios de los dispositivos.