Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам » Почему в современных инверторах используют транзисторы, а не тиристоры
Количество просмотров: 36709
Комментарии к статье: 10


Почему в современных инверторах используют транзисторы, а не тиристоры


В современной электронике использование транзисторов в инверторах является предпочтительным, поскольку они имеют много преимуществ перед тиристорами.

Во-первых, транзисторы имеют более высокую электрическую изоляцию и низкую чувствительность к помехам, что обеспечивает более надежную работу инвертора.

Во-вторых, транзисторы имеют более высокую скорость реакции и более высокую мощность, чем тиристоры, что позволяет использовать их в более сложных и высокоэффективных системах.

Наконец, транзисторы имеют меньшую стоимость производства и легче для массового производства, чем тиристоры, что делает их более доступными для широкого круга потребителей.

В целом, транзисторы являются более эффективным и предпочтительным выбором для использования в современных инверторах, благодаря их высокой надежности, скорости реакции, мощности и доступности.

Хотя тиристоры имеют свои преимущества, они уступают транзисторам в многих важных аспектах, таких как надежность и эффективность.

Почему в современных инверторах используют транзисторы, а не тиристоры

Тиристоры относятся к полупроводниковым приборам структуры p-n-p-n, и принадлежат, по сути, к особому классу биполярных транзисторов, четырехслойных, трех (и более) переходных приборов с чередующейся проводимостью.

Устройство тиристора позволяет ему работать подобно диоду, то есть пропускать ток лишь в одном направлении.

Устройство тиристора

И также как у полевого транзистора, у тиристора имеется управляющий электрод. При этом как диод, тиристор имеет особенность, - без инжекции неосновных рабочих носителей заряда через управляющий электрод он не перейдет в проводящее состояние, то есть не откроется.

Упрощенная модель тиристора

Упрощенная модель тиристора позволяет нам понять, что управляющий электрод здесь аналогичен базе биполярного транзистора, однако имеется ограничение, которое заключается в том, что отпереть то тиристор с помощью этой базы можно, а вот запереть нельзя.

тиристор

Тиристор, как и мощный полевой транзистор, конечно может коммутировать значительные токи. И в отличие от полевых транзисторов, мощности, коммутируемые тиристорами, могут исчисляться мегаваттами при высоких рабочих напряжениях. Но имеют тиристоры один серьезный недостаток — значительное время выключения.

Для того чтобы запереть тиристор, необходимо прервать или сильно уменьшить его прямой ток на достаточно продолжительное время, за которое неравновесные основные рабочие носители заряда, электронно-дырочные пары, успели бы рекомбинировать или рассосаться. Пока не прерван ток, тиристор будет оставаться в проводящем состоянии, то есть будет продолжать вести себя как диод.

Схема коммутации переменного синусоидального тока

Схемы коммутации переменного синусоидального тока обеспечивают тиристорам подходящий режим работы — синусоидальное напряжение смещает переход в обратном направлении, и тиристор автоматически запирается. Но для поддержания работы прибора, на управляющий электрод необходимо в каждом полупериоде подавать отпирающий управляющий импульс.

В схемах с питанием на постоянном токе прибегают к дополнительным вспомогательным схемам, функция которых — принудительно снизить анодный ток тиристора, и вернуть его в запертое состояние. А поскольку при запирании рекомбинируют носители заряда, то и скорость переключения тиристора сильно ниже, чем у мощного полевого транзистора.

Если сравнить время полного закрытия тиристора с временем полного закрытия полевого транзистора, то разница достигает тысяч раз: полевому транзистору чтобы закрыться нужно несколько наносекунд (10-100 нс), а тиристору требуется несколько микросекунд (10-100 мкс). Почувствуйте разницу.

Конечно, есть области применения тиристоров, где полевые транзисторы не выдерживают конкуренции с ними. Для тиристоров практически нет ограничений в предельно допустимой коммутируемой мощности — это их преимущество.

Тиристоры управляют мегаваттами мощности на больших электростанциях, в промышленных сварочных аппаратах они коммутируют токи в сотни ампер, а также традиционно управляют мегаваттными индукционными печами на сталелитейных заводах. Здесь полевые транзисторы никак не применимы. В импульсных же преобразователях средней мощности полевые транзисторы выигрывают.

Частотный преобразователь в шкафу управления

Долгое выключение тиристора, как говорилось выше, объясняется тем, что будучи включенным, он требует для выключения снятия коллекторного напряжения, и подобно биполярному транзистору, у тиристора уходит конечное время на рекомбинацию или удаление неосновных носителей.

Проблемы, которые вызывают тиристоры в связи с этой своей особенностью, связаны прежде всего с невозможностью переключения с высокими скоростями, как это могут делать полевые транзисторы. А еще перед подачей на тиристор коллекторного напряжения, тиристор должен обязательно быть закрытым, иначе неизбежны коммутационные потери мощности, полупроводник чрезмерно при этом нагреется.

Иначе говоря, предельное dU/dt ограничивает быстродействие. График зависимости рассеиваемой мощности от тока и времени включения иллюстрирует эту проблему. Высокая температура внутри кристалла тиристора может не только вызвать ложное срабатывание, но и помешать переключению.

График зависимости рассеиваемой мощности от тока и времени включения

В резонансных инверторах на тиристорах проблема запирания решается сама собой, там выброс напряжения обратной полярности приводит к запиранию тиристора, при условии, что воздействие это достаточно длительное.

Так выявляется главное преимущество полевых транзисторов перед тиристорами. Полевые транзисторы способны работать на частотах в сотни килогерц, и управление сегодня не является проблемой.

Тиристоры же будут надежно работать на частотах до 40 килогерц, ближе к 20 килогерцам. Это значит, что если бы в современных инверторах использовались тиристоры, то аппараты на достаточно высокую мощность, скажем, на 5 киловатт, получались бы весьма громоздкими.

В этом смысле полевые транзисторы способствуют тому, что инверторы получаются более компактными за счет меньшего размера и веса сердечников силовых трансформаторов и дросселей.

Чем выше частота, тем меньшего размера требуются трансформаторы и дроссели для преобразования одной и той же мощности, это знает каждый, кто знаком со схемотехникой современных импульсных преобразователей.

Безусловно, в некоторых применениях тиристоры оказываются очень полезными, например диммеры для регулировки яркости света, работающие на сетевой частоте 50 Гц, в любом случае выгоднее изготавливать на тиристорах, они получаются дешевле, чем если бы там применялись полевые транзисторы.

Сварочный инвертор

А в сварочных инверторах, например, выгоднее использовать полевые транзисторы, именно в силу простоты управления переключением и высокой скорости этого переключения. Кстати, при переходе с тиристорной схемы на транзисторную, несмотря на большую стоимость последних, из приборов исключаются лишние дорогостоящие компоненты.

Андрей Повный 

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 

О сайте Электрик Инфо и авторах статей



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Биполярные и полевые транзисторы - в чем различие
  • IGBT-транзисторы - основные компоненты современной силовой электроники
  • Классификация транзисторов
  • Способы и схемы управления тиристором или симистором
  • Как проверить диод и тиристор. 3 простых способа
  • Как подобрать аналог транзистора
  • Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения
  • Почему горят транзисторы
  • Как определить неисправность тиристоров
  • Как можно легко управлять мощной нагрузкой переменного тока
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

    Инвертор, Силовая электроника, Тиристоры, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Сергей Сергеевич |

    Инвертор напряжения может состоять из переключаемых компонентов, например, тиристоров IGBT, IGCT или GTO, МОП-транзисторы также могут использоваться для меньших мощностей. Тиристоры также использовались в то время, когда переключаемые компоненты не достигали требуемой производительности.

      Комментарии:

    #2 написал: Андрей |

    Тиристоры медленные по электронным меркам. Чем быстрее инвертор переключается, тем меньше и легче трансформатор. IGBT и MOSFET быстрее. Их также нелегко использовать от источника постоянного тока, так как напряжение должно быть снижено до нуля, прежде чем они отключатся. 

      Комментарии:

    #3 написал: Ян |

    МОП-транзистор представляет собой переключатель, управляемый напряжением затвора. Обычно используемые в маломощных низковольтных системах (< 500 В), МОП-транзисторы способны работать с самыми высокими частотами переключения — характеристика, которая желательна, когда количество магнитных материалов в цепи сведено к минимуму. В отличие от тиристоров, МОП-транзисторы могут запускать и останавливать проводимость даже при приложении постоянного напряжения. Это делает их очень полезными в источниках питания с импульсным режимом, где мощность постоянного тока преобразуется в другую величину или в переменный ток.

      Комментарии:

    #4 написал: Алексей |

    IGBT-транзистор - это гибрид МОП-транзистора (в компоненте зажигания) и биполярного (в качестве проводника тока и напряжения питания). Динамическое поведение и срабатывание очень похожи на MOSFET. Но блокировка IGBT относительно отличается от блокировки MOSFET. Рассматривая IGBT как объединение MOSFET и биполярного транзистора, во время проводимости ток распределяется между двумя транзисторами (усиление биполярки намного меньше). В момент блокировки MOSFET намного быстрее, а IGBT блокируется намного медленнее (заряды, хранящиеся в базе, не удаляются, кроме как путем рекомбинации). Этот ток называется хвостовым током, и он отвечает за большую часть потерь, возникающих в IGBT. Коммутационные потери (в основном при размыкании) IGBT и прямое падение напряжения тесно связаны между собой, поэтому их значение является результатом компромисса. Идеальный компромисс зависит от приложения. Он состоит в поддержании общих потерь (на проводимость и на переключение) на минимально возможном уровне для данной поверхности кремния (цена).

      Комментарии:

    #5 написал: Олег |

    Транзисторы имеют более высокую эффективность переключения и более высокую степень снижения мощности, чем тиристоры. Они также имеют более низкий уровень шума и более высокую степень надежности. Таким образом, используя транзисторы в качестве элементов, можно повысить производительность инвертора, уменьшить шум и увеличить его надежность.

      Комментарии:

    #6 написал: Алина |

    Я считаю, что использование транзисторов в современных инверторах вместо тиристоров имеет множество преимуществ. Во-первых, транзисторы обладают более высокой эффективностью и меньшими потерями мощности, что делает их более экономичными и надежными. Во-вторых, они более удобны в управлении и позволяют достичь большей точности в регулировании выходного напряжения и частоты.

    Также, в отличие от тиристоров, транзисторы обладают возможностью быстрого переключения, что позволяет использовать их в широком диапазоне частот и при работе с переменным током. Таким образом, с использованием транзисторов можно добиться более гибкой настройки работы инвертора и его более широкого применения в различных сферах.

    Конечно, использование транзисторов в инверторах требует более сложных схем и контроллеров, что может повысить стоимость устройства. Однако, я считаю, что эти небольшие недостатки не сравнятся с множеством преимуществ, которые предоставляют транзисторы в работе с инверторами.

    В целом, я считаю, что использование транзисторов в современных инверторах - это правильный выбор, который обеспечивает более высокую эффективность, точность и гибкость в работе.

      Комментарии:

    #7 написал: Киселев Вячеслав Максимович |

    Я всегда считал, что транзисторы для этих целей подходят лучше тиристоров. Какие особенности работы транзисторов позволяют им обеспечивать более высокую точность и гибкость управления мощностью, чем тиристоры?

      Комментарии:

    #8 написал: Андрей Повный |

    Цитата: Сергей Сергеевич

    Инвертор напряжения может состоять из переключаемых компонентов, например, тиристоров IGBT, IGCT или GTO, МОП-транзисторы также могут использоваться для меньших мощностей. Тиристоры также использовались в то время, когда переключаемые компоненты не достигали требуемой производительности.

    Действительно, инвертор напряжения может использовать различные переключаемые компоненты, такие как тиристоры, IGBT, IGCT или GTO, в зависимости от требуемой мощности и производительности. Кроме того, МОП-транзисторы могут использоваться для более низких мощностей. Тиристоры широко применялись в прошлом, когда другие переключаемые компоненты не были достаточно производительными, но в настоящее время IGBT, IGCT и GTO обычно предпочитаются из-за их более высокой производительности и удобства использования.

    Цитата: Андрей

    Тиристоры медленные по электронным меркам. Чем быстрее инвертор переключается, тем меньше и легче трансформатор. IGBT и MOSFET быстрее. Их также нелегко использовать от источника постоянного тока, так как напряжение должно быть снижено до нуля, прежде чем они отключатся. 

    Вы правильно отметили, при использовании IGBT и MOSFET, есть некоторые трудности, связанные с отключением устройств. Это связано с тем, что IGBT и MOSFET являются устройствами на основе полупроводниковых материалов, и для их полного отключения требуется некоторое время, чтобы заряд внутри устройства разрядился. Поэтому при использовании этих устройств необходимо применять дополнительные схемы, которые могут обеспечить полное отключение. В целом, выбор между тиристорами, IGBT и MOSFET зависит от конкретных требований к электронной системе и ее характеристикам, таким как мощность, скорость переключения, эффективность и стоимость.

    Цитата: Киселев Вячеслав Максимович

    Тиристоры медленные по электронным меркам. Чем быстрее инвертор переключается, тем меньше и легче трансформатор. IGBT и MOSFET быстрее. Их также нелегко использовать от источника постоянного тока, так как напряжение должно быть снижено до нуля, прежде чем они отключатся. 

    Вы правы, транзисторы, такие как MOSFET и IGBT, могут быть более предпочтительными для некоторых приложений по сравнению с тиристорами из-за их способности обеспечивать более высокую точность и гибкость управления мощностью. Вот несколько особенностей работы транзисторов, которые позволяют им обеспечивать эти преимущества:

    1. Высокая скорость коммутации: Транзисторы имеют значительно более быструю скорость коммутации, чем тиристоры, что позволяет им быстро переключать мощность в соответствии с потребностями устройства. Это позволяет более точно контролировать мощность и частоту работы устройства.

    2. Гибкость в управлении: Транзисторы имеют более широкий диапазон управления мощностью, чем тиристоры. Это позволяет точнее регулировать мощность и скорость работы устройства в зависимости от изменяющихся условий.

    3. Эффективность: Транзисторы, особенно MOSFET и IGBT, обычно имеют более высокую эффективность, чем тиристоры. Это связано с тем, что транзисторы имеют меньшие потери мощности при работе и могут быть лучше оптимизированы для конкретных условий работы.

      Комментарии:

    #9 написал: Алексей |

    Транзисторы в современных инверторах предпочтительнее тиристоров из-за своей лучшей контролируемости и эффективности. Транзисторы могут быстро включаться и выключаться, что позволяет точно управлять выходным напряжением и частотой. Это особенно важно для применения в переменных частотных преобразователях (ЧПП), которые используются в управлении скоростью электродвигателей и других устройствах. Тиристоры, хотя и имеют высокую надежность и способны переносить большие токи, имеют ограниченные возможности управления и они работают только в режиме включения, а отключаются при переходе тока через ноль. Транзисторы позволяют более точное и гибкое управление током, что способствует повышению эффективности и улучшению качества энергетических систем. Использование транзисторов также позволяет снизить потери энергии и повысить коэффициент полезного действия инвертора. Это делает современные инверторы более энергоэффективными и экономичными в использовании. Таким образом, транзисторы предоставляют значительные преимущества перед тиристорами в современных инверторах, что обеспечивает более точное управление и эффективность электрическими системами.

      Комментарии:

    #10 написал: Константин |

    Почитал теоретиков. Красавцы. Сделайте частотник для двигателя 520 кВт. Я посмотрю на ваши транзисторы. На такие токи их даже не выпускают, а тиристоры да. Вы все забываете о практической экономике. Да и со знанием основ твердотельной электроники у многих печально. Как насчет управляемых выпрямителей в инверторах? Вы их тоже на IGBT делать будите? В современных ЧП используют те компоненты, которые экономически и практически целесообразны.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.