Méthodes de commutation des thyristors dans l'électronique de puissance

La plupart équipement de conversion et les alimentations à découpage utilisent électronique de puissance des composants tels que des thyristors, des MOSFET et d'autres dispositifs à semi-conducteurs de puissance pour les opérations de commutation haute fréquence à haute puissance. Considérez les thyristors que nous utilisons très fréquemment comme interrupteurs bistables dans plusieurs applications. Ces thyristors utilisent des interrupteurs devant être allumés et éteints. Pour activer les thyristors, il existe des méthodes d'activation des thyristors appelées méthodes de déclenchement des thyristors. De même, pour désactiver les thyristors, il existe des méthodes appelées méthodes ou techniques de commutation de thyristors. Avant de discuter des techniques de commutation des thyristors, nous devons connaître les principes de base des thyristors tels que le thyristor, le fonctionnement des thyristors, les différents types de thyristors et les méthodes d'activation des thyristors.

Qu'est-ce qu'un thyristor?

Les dispositifs à semi-conducteurs de deux à quatre conducteurs composés de quatre couches de matériaux alternés de type N et P sont appelés thyristors. Ceux-ci sont généralement utilisés comme interrupteurs bistables qui ne conduisent que lorsque la borne de grille du thyristor est déclenchée. Un thyristor est également appelé redresseur contrôlé au silicium ou SCR.

Thyristor

Quelle est la commutation de SCR?

La commutation n'est rien d'autre que la méthode de désactivation d'un SCR. C'est une méthode utilisée pour amener un thyristor ou un thyristor de l'état ON à l'état OFF. Nous savons qu'un SCR peut être activé en utilisant un signal de porte vers un SCR lorsqu'il est en polarisation de transmission. Mais le SCR doit s'éteindre lorsque cela est nécessaire pour le contrôle de l'alimentation, sinon le conditionnement de l'alimentation.

Circuit de commutation pour SCR

Lorsqu'un SCR se déplace dans le mode de conduction de transmission, alors sa borne de porte perd son contrôle. Pour cela, un circuit supplémentaire doit être utilisé pour désactiver le thyristor / SCR. Donc, ce circuit supplémentaire est appelé un circuit de commutation.

Donc, ce terme est principalement utilisé pour transférer le courant d'un ane à un autre. Le circuit de commutation réduit principalement le courant direct à zéro pour désactiver le thyristor. Ainsi, les conditions suivantes doivent être remplies pour désactiver le thyristor une fois qu'il est conducteur.

• Le courant direct du thyristor ou du SCR doit être réduit à zéro sinon sous le niveau de courant de maintien.
• Une tension inverse suffisante doit être fournie aux bornes du thyristor / thyristor pour récupérer son état de blocage direct.

Une fois que le SCR est désactivé en diminuant le courant direct à zéro, il existe alors des porteurs de charge excédentaires dans différentes couches. Pour récupérer la condition de blocage avant du thyristor, ces porteurs de charge excédentaires doivent être recombinés. Ainsi, cette méthode de recombinaison peut accélérer en appliquant une tension inverse aux bornes du thyristor.

Méthodes de commutation des thyristors

Comme nous l'avons étudié ci-dessus, un thyristor peut être activé en déclenchant une borne de grille avec une impulsion de courte durée basse tension. Mais après sa mise sous tension, il conduira en continu jusqu'à ce que le thyristor soit polarisé en inverse ou que le courant de charge tombe à zéro. Cette conduction continue des thyristors pose des problèmes dans certaines applications. Le processus utilisé pour désactiver un thyristor est appelé commutation. Par le processus de commutation, le mode de fonctionnement du thyristor passe du mode conducteur direct au mode blocage direct. Ainsi, les méthodes de commutation de thyristor ou les techniques de commutation de thyristor sont utilisées pour désactiver.

Les techniques de commutation des thyristors sont classées en deux types:

• Commutation naturelle
• Commutation forcée

Commutation naturelle

En général, si l'on considère l'alimentation en courant alternatif, le courant circulera à travers la ligne de passage à zéro en passant d'un pic positif à un pic négatif. Ainsi, une tension inverse apparaîtra simultanément aux bornes de l'appareil, ce qui éteindra immédiatement le thyristor. Ce processus est appelé commutation naturelle car le thyristor est éteint naturellement sans utiliser de composants externes ou de circuit ou d'alimentation à des fins de commutation.

La commutation naturelle peut être observée dans les contrôleurs de tension alternative, les redresseurs à commande de phase et les cyclo-convertisseurs.

Commutation forcée

Le thyristor peut être désactivé par polarisation inverse du SCR ou en utilisant des composants actifs ou passifs. Le courant des thyristors peut être réduit à une valeur inférieure à la valeur du courant de maintien. Comme le thyristor est désactivé de force, il est appelé processus de commutation forcée. Le composants électroniques et électriques de base tels que l'inductance et la capacité sont utilisés comme éléments de commutation à des fins de commutation.

La commutation forcée peut être observée lors de l'utilisation d'une alimentation CC, c'est pourquoi elle est également appelée commutation CC. Le circuit externe utilisé pour le processus de commutation forcée est appelé circuit de commutation et les éléments utilisés dans ce circuit sont appelés éléments de commutation.

Classification des méthodes de commutation forcée

Ici, la classification des méthodes de commutation des thyristors est discutée ci-dessous. Sa classification se fait principalement selon que l'impulsion de commutation est une impulsion de courant d'une impulsion de tension, si elle est connectée en série / parallèle via le SCR à commuter, si le signal est donné par un thyristor auxiliaire ou principal, si le le circuit de commutation est chargé à partir d'une source auxiliaire ou principale. La classification des onduleurs peut être principalement effectuée en fonction de l'emplacement des signaux de commutation. La commutation forcée peut être classée en différentes méthodes comme suit:

• Classe A: auto-commutée par une charge résonante
• Classe B: auto-commutée par un circuit LC
• Classe C: Cor L-C commuté par un autre SCR porteur
• Classe D: C ou L-C commuté par un SCR auxiliaire
• Classe E: une source d'impulsions externe pour la commutation
• Classe F: commutation de ligne CA

Classe A: auto-commuté par une charge résonante

La classe A est l'une des techniques de commutation de thyristors les plus fréquemment utilisées. Si le thyristor est déclenché ou allumé, le courant d'anode circulera en chargeant condensateur C avec un point comme positif. Le circuit sous-amorti du second ordre est formé par le inductance ou résistance AC , condensateur et résistance. Si le courant s'accumule à travers le SCR et termine le demi-cycle, le courant de l'inducteur passera à travers le SCR dans le sens inverse, ce qui éteindra le thyristor.

Méthode de commutation des thyristors de classe A

Après la commutation du thyristor ou la désactivation du thyristor, le condensateur commencera à se décharger de sa valeur de crête à travers la résistance de manière exponentielle. Le thyristor sera en état de polarisation inverse jusqu'à ce que la tension du condensateur revienne au niveau de tension d'alimentation.

Classe B: auto-commuté par un circuit L-C

La principale différence entre les méthodes de commutation des thyristors de classe A et de classe B est que le LC est connecté en série avec un thyristor de classe A, alors qu'en parallèle avec un thyristor de classe B.Avant de déclencher sur le SCR, le condensateur est chargé (le point indique positif). Si le SCR est déclenché ou reçoit une impulsion de déclenchement, alors le courant résultant a deux composants.

Méthode de commutation des thyristors de classe B

Le courant de charge constant circulant à travers la charge R-L est assuré par la grande réactance connectée en série avec la charge qui est bloquée avec une diode de roue libre. Si un courant sinusoïdal traverse le circuit résonnant L-C, le condensateur C est chargé avec un point négatif à la fin du demi-cycle.

Le courant total traversant le SCR devient nul, le courant inverse traversant le SCR s'opposant au courant de charge pendant une petite fraction de l'oscillation négative. Si le courant du circuit résonnant ou le courant inverse devient juste supérieur au courant de charge, alors le SCR sera désactivé.

Classe C: C ou L-C commuté par un autre SCR porteur de charge

Dans les méthodes de commutation de thyristor ci-dessus, nous n'avons observé qu'un seul SCR, mais dans ces techniques de commutation de thyristor de classe C, il y aura deux SCR. Un SCR est considéré comme le thyristor principal et l'autre comme un thyristor auxiliaire. Dans cette classification, les deux peuvent agir comme des SCR principaux transportant un courant de charge et ils peuvent être conçus avec quatre SCR avec une charge aux bornes du condensateur en utilisant une source de courant pour alimenter un convertisseur intégral.

Méthode de commutation des thyristors de classe C

Si le thyristor T2 est déclenché, le condensateur sera chargé. Si le thyristor T1 est déclenché, alors le condensateur se déchargera et ce courant de décharge de C s'opposera au flux de courant de charge dans T2 lorsque le condensateur est commuté sur T2 via T1.

Classe D: L-C ou C commuté par un SCR auxiliaire

Les méthodes de commutation des thyristors de classe C et de classe D peuvent être différenciées avec le courant de charge de la classe D: un seul des thyristors transportera le courant de charge tandis que l'autre agit comme un thyristor auxiliaire tandis que dans la classe C, les deux SCR porteront le courant de charge. Le thyristor auxiliaire est constitué d'une résistance dans son anode qui a une résistance d'environ dix fois la résistance de charge.

Type de classe D

En déclenchant le Ta (thyristor auxiliaire), le condensateur est chargé jusqu'à la tension d'alimentation, puis le Ta s'éteint. La tension supplémentaire, le cas échéant, due à une inductance substantielle dans les lignes d'entrée sera déchargée à travers le circuit de charge diode-inductance.

Si le Tm (thyristor principal) est déclenché, alors le courant circulera dans deux chemins: le courant de commutation traversera le chemin C-Tm-L-D et le courant de charge traversera la charge. Si la charge sur le condensateur est inversée et maintenue à ce niveau à l'aide de la diode et si Ta est redéclenchée, alors la tension aux bornes du condensateur apparaîtra à travers le Tm via Ta. Ainsi, le thyristor principal Tm sera désactivé.

Classe E: Source d'impulsions externe pour la commutation

Pour les techniques de commutation à thyristors de classe E, un transformateur ne peut pas saturer (car il a un entrefer de fer et d'air suffisant) et capable de transporter le courant de charge avec une faible chute de tension par rapport à la tension d'alimentation. Si le thyristor T est déclenché, le courant circulera à travers le transformateur de charge et d'impulsion.

Type de classe E

Un générateur d'impulsions externe est utilisé pour générer une impulsion positive qui est fournie à la cathode du thyristor via un transformateur d'impulsions. Le condensateur C est chargé à environ 1 V et il est considéré comme ayant une impédance nulle pendant la durée de l'impulsion de coupure. La tension aux bornes du thyristor est inversée par l'impulsion du transformateur électrique qui fournit le courant de récupération inverse, et pendant le temps de coupure requis, il maintient la tension négative.

Classe F: ligne CA commutée

Dans les techniques de commutation à thyristors de classe F, une tension alternative est utilisée pour l'alimentation et, pendant le demi-cycle positif de cette alimentation, le courant de charge circulera. Si la charge est hautement inductive, le courant restera jusqu'à ce que l'énergie stockée dans la charge inductive soit dissipée. Pendant le demi-cycle négatif lorsque le courant de charge devient nul, le thyristor s'éteint. Si la tension existe pendant une période du temps de coupure nominal de l'appareil, la polarité négative de la tension aux bornes du thyristor sortant l'éteindra.

Type de classe F

Ici, la durée du demi-cycle doit être supérieure au temps de coupure du thyristor. Ce processus de commutation est similaire au concept d'un convertisseur triphasé. Considérons que T1 et T11 sont principalement conducteurs avec l'angle de déclenchement du convertisseur, qui est égal à 60 degrés et fonctionne en mode de conduction continue avec une charge hautement inductive.

Si les thyristors T2 et T22 sont déclenchés, alors instantanément le courant traversant les dispositifs entrants ne montera pas au niveau de courant de charge. Si le courant à travers les thyristors entrants atteint le niveau de courant de charge, alors le processus de commutation des thyristors sortants sera lancé. Cette tension de polarisation inverse du thyristor doit être maintenue jusqu'à ce que l'état de blocage direct soit atteint.

Échec des méthodes de commutation des thyristors

L'échec de commutation des thyristors se produit principalement parce qu'ils sont commutés en ligne et qu'une chute de tension peut entraîner une tension inadéquate pour la commutation, ce qui provoque un défaut une fois que le thyristor suivant est allumé. Ainsi, l'échec de commutation se produit pour plusieurs raisons, dont certaines sont décrites ci-dessous.
Les thyristors fournissent un temps de récupération inverse assez lent, de sorte que le courant inverse principal peut fournir en conduction de transmission. Cela peut signifier «courant de défaut», qui apparaît de manière cyclique par la dissipation de puissance associée qui apparaît en cas de panne du SCR.

Dans un circuit électrique, la commutation se fait essentiellement une fois que le flux de courant circule d'une branche du circuit à une autre. Un échec de commutation se produit principalement lorsque le changement de chemin échoue pour une raison quelconque.
Pour un onduleur ou un circuit redresseur, qui utilise des thyristors, une panne de commutation peut se produire pour deux raisons fondamentales.

Si un thyristor ne s'allume pas, le flux de courant ne commutera pas et la méthode de commutation échouera. De même, si un thyristor ne parvient pas à s'éteindre, le flux de courant peut basculer en partie vers la branche suivante. Ceci est donc également considéré comme un échec.

Différence entre les techniques de commutation naturelle et de commutation forcée

Les différences entre la commutation naturelle et la commutation forcée sont discutées ci-dessous.

Un thyristor peut être simplement appelé un redresseur contrôlé. Il existe différents types de thyristors, qui sont utilisés pour la conception basée sur l'électronique de puissance projets électriques innovants . Le processus de mise sous tension du thyristor en fournissant des impulsions de déclenchement à la borne de porte est appelé déclenchement. De même, le processus de désactivation du thyristor est appelé commutation. J'espère que cet article donne de brèves informations sur les différentes techniques de commutation du thyristor. Une assistance technique supplémentaire sera fournie en fonction de vos commentaires et questions dans la section des commentaires ci-dessous.