パワーエレクトロニクスにおけるサイリスタ転流法

ほとんど コンバーター機器 およびスイッチモード電源の使用 パワーエレクトロニクス サイリスタ、MOSFET、および高電力定格での高周波スイッチング動作用の他のパワー半導体デバイスなどのコンポーネント。いくつかのアプリケーションで双安定スイッチとして非常に頻繁に使用するサイリスタについて考えてみます。これらのサイリスタは、オンとオフを切り替える必要のあるスイッチを使用します。サイリスタをオンにするために、サイリスタトリガー方式と呼ばれるいくつかのサイリスタターンオン方式があります。同様に、サイリスタをオフにするために、サイリスタ転流法または技術と呼ばれる方法があります。サイリスタの転流技術について説明する前に、サイリスタ、サイリスタの動作、さまざまなタイプのサイリスタ、サイリスタのターンオン方法など、サイリスタの基本について知っておく必要があります。

サイリスタとは何ですか？

N型とP型の材料が交互に配置された4層からなる2〜4個の鉛半導体デバイスはサイリスタと呼ばれます。これらは通常、サイリスタのゲート端子がトリガーされたときにのみ導通する双安定スイッチとして使用されます。サイリスタは、シリコン制御整流器またはSCRとも呼ばれます。

サイリスタ

SCRの転流とは何ですか？

転流はSCRのターンオフ方式に他なりません。これは、SCRまたはサイリスタをオン状態からオフ状態にするために使用される1つの方法です。 SCRが転送バイアスにあるときに、SCRへのゲート信号を使用することでSCRをアクティブ化できることがわかっています。ただし、SCRは、電力制御、または電力調整に必要な場合はオフにする必要があります。

SCRの転流回路

SCRが順方向導通モードで移動すると、そのゲート端子は制御を失います。そのためには、サイリスタ/ SCRをオフにするためにいくつかの追加回路を使用する必要があります。したがって、この追加の回路は転流回路と呼ばれます。

したがって、この用語は主に、あるアネから別のアネに電流を転送するために使用されます。転流回路は主に順方向電流をゼロに減らしてサイリスタをオフにします。したがって、導通したらサイリスタをオフにするには、次の条件を満たす必要があります。

• サイリスタまたはSCRの順方向電流は、ゼロに減少する必要があります。
• 順方向のブロッキング状態を回復するには、SCR /サイリスタの両端に十分な逆方向電圧を供給する必要があります。

順方向電流をゼロに減らしてSCRをオフにすると、異なる層内に余剰の電荷キャリアが存在します。サイリスタの順方向ブロッキング状態を回復するには、これらの余剰電荷キャリアを再結合する必要があります。したがって、この再結合方法は、サイリスタに逆電圧を印加することによって高速化できます。

サイリスタの転流方法

上で研究したように、サイリスタは、低電圧の短時間パルスでゲート端子をトリガーすることによってオンにすることができます。ただし、電源を入れた後、サイリスタが逆バイアスされるか、負荷電流がゼロになるまで導通します。サイリスタのこの継続的な伝導は、一部のアプリケーションで問題を引き起こします。サイリスタをオフにするために使用されるプロセスは、転流と呼ばれます。転流プロセスにより、サイリスタの動作モードが順方向導通モードから順方向遮断モードに変更されます。そのため、サイリスタ転流法またはサイリスタ転流技術を使用してオフにします。

サイリスタの転流技術は2つのタイプに分類されます。

• 自然転流
• 強制転流

自然転流

一般に、交流電源を考えると、電流は正のピークから負のピークに向かってゼロ交差線を流れます。したがって、逆電圧がデバイスの両端に同時に現れ、サイリスタがすぐにオフになります。このプロセスは、サイリスタが整流目的で外部コンポーネントや回路または電源を使用せずに自然にオフになるため、自然整流と呼ばれます。

自然転流は、AC電圧コントローラー、位相制御整流器、およびサイクロコンバーターで観察できます。

強制転流

サイリスタは、SCRに逆バイアスをかけるか、アクティブまたはパッシブコンポーネントを使用してオフにすることができます。サイリスタ電流は、保持電流の値よりも低い値に減らすことができます。サイリスタが強制的にオフになるため、強制転流プロセスと呼ばれます。ザ・ 基本的な電子機器および電気部品 インダクタンスや静電容量などは、転流目的の転流要素として使用されます。

DC電源を使用しているときに強制転流が観察されるため、DC転流とも呼ばれます。強制転流プロセスに使用される外部回路は転流回路と呼ばれ、この回路で使用される要素は転流要素と呼ばれます。

強制転流法の分類

ここでは、サイリスタの転流方法の分類について以下で説明します。その分類は主に、転流のパルスが電圧パルスの電流パルスであるかどうか、転流するSCRを介して直列/並列に接続されているかどうか、信号が補助サイリスタまたは主サイリスタを介して与えられているかどうかによって行われます。転流回路は、補助電源または主電源から充電されます。インバータの分類は、主に整流子信号の位置に基づいて行うことができます。強制転流は、次のようにさまざまな方法に分類できます。

• クラスA：共振負荷による自己転流
• クラスB：LC回路による自己転流
• クラスC：別の耐荷重SCRによって切り替えられたCor L-C
• クラスD：補助SCRによって切り替えられるCまたはL-C
• クラスE：転流用の外部パルス源
• クラスF：ACライン転流

クラスA：共振負荷による自己転流

クラスAは、頻繁に使用されるサイリスタ転流技術の1つです。サイリスタがトリガーまたはオンになると、充電によってアノード電流が流れます コンデンサC ドットを正として。 2次のアンダーダンプ回路は、 インダクタまたはAC抵抗 、コンデンサ、および抵抗。電流がSCRを介して蓄積され、半サイクルが完了すると、インダクタ電流がSCRを逆方向に流れ、サイリスタがオフになります。

クラスAサイリスタ転流法

サイリスタの転流またはサイリスタのオフの後、コンデンサはそのピーク値から抵抗を介して指数関数的に放電を開始します。サイリスタは、コンデンサの電圧が供給電圧レベルに戻るまで逆バイアス状態になります。

クラスB：L-C回路による自己整流

クラスAとクラスBのサイリスタ転流方法の主な違いは、LCがクラスAのサイリスタと直列に接続されているのに対し、クラスBのサイリスタと並列に接続されていることです。SCRでトリガーする前に、コンデンサが充電されます（ドットはポジティブ）。 SCRがトリガーされるか、トリガーパルスが与えられると、結果として生じる電流には2つの成分があります。

クラスBサイリスタ転流法

R-L負荷を流れる一定の負荷電流は、フリーホイールダイオードでクランプされた負荷と直列に接続された大きなリアクタンスによって保証されます。正弦波電流が共振L-C回路を流れる場合、コンデンサCは、半サイクルの終わりに負のドットで充電されます。

SCRを流れる合計電流はゼロになり、SCRを流れる逆電流は、負の振幅のごく一部で負荷電流に対抗します。共振回路電流または逆電流が負荷電流よりわずかに大きくなると、SCRはオフになります。

クラスC：別の耐荷重SCRによって切り替えられるCまたはL-C

上記のサイリスタ転流法では、1つのSCRしか観測されませんでしたが、これらのサイリスタのクラスC転流技術では、2つのSCRが存在します。 1つのSCRはメインサイリスタと見なされ、もう1つのSCRは補助サイリスタと見なされます。この分類では、両方が負荷電流を運ぶメインSCRとして機能する可能性があり、一体型コンバータに供給する電流源を使用することにより、コンデンサの両端に負荷がかかる4つのSCRで設計できます。

クラスCサイリスタ転流法

サイリスタT2がトリガーされると、コンデンサは充電されます。サイリスタT1がトリガーされると、コンデンサが放電し、このCの放電電流は、コンデンサがT1を介してT2に切り替わるときに、T2の負荷電流の流れに対抗します。

クラスD：補助SCRによって切り替えられるL-CまたはC

クラスCとクラスDのサイリスタの転流方法は、クラスDの負荷電流で区別できます。一方のSCRのみが負荷電流を流し、もう一方は補助サイリスタとして機能しますが、クラスCでは両方のSCRが負荷電流を流します。補助サイリスタは、負荷抵抗の約10倍の抵抗を持つアノードの抵抗で構成されています。

クラスDタイプ

Ta（補助サイリスタ）をトリガーすることにより、コンデンサは供給電圧まで充電され、Taはオフになります。入力ラインの実質的なインダクタンスによる余分な電圧がある場合は、ダイオード-インダクタ-負荷回路を介して放電されます。

Tm（メインサイリスタ）がトリガーされると、電流は2つのパスを流れます。整流電流はC-Tm-L-Dパスを流れ、負荷電流は負荷を流れます。コンデンサの電荷が逆になり、ダイオードを使用してそのレベルに保持され、Taが再トリガーされると、コンデンサの両端の電圧がTaを介してTmの両端に現れます。したがって、メインサイリスタTmはオフになります。

クラスE：転流用の外部パルス源

クラスEサイリスタ転流技術の場合、変圧器は飽和できず（十分な鉄とエアギャップがあるため）、電源電圧と比較して小さな電圧降下で負荷電流を流すことができます。サイリスタTがトリガーされると、電流は負荷およびパルストランスを流れます。

クラスEタイプ

外部パルス発生器は、パルストランスを介してサイリスタのカソードに供給される正のパルスを生成するために使用されます。コンデンサCは約1vに充電されており、ターンオフパルスの持続時間中はインピーダンスがゼロであると見なされます。サイリスタの両端の電圧は、サイリスタからのパルスによって反転されます。 変圧器 これは逆回復電流を供給し、必要なターンオフ時間の間、負の電圧を保持します。

クラスF：ACライン整流

クラスFサイリスタ転流技術では、電源に交流電圧が使用され、この電源の正の半サイクル中に負荷電流が流れます。負荷の誘導性が高い場合、誘導性負荷に蓄積されたエネルギーが消費されるまで電流は残ります。負荷電流がゼロになる負の半サイクルの間、サイリスタはオフになります。デバイスの定格ターンオフ時間の期間に電圧が存在する場合、出力サイリスタの両端の電圧の負極性がデバイスをオフにします。

クラスFタイプ

ここで、半サイクルの持続時間は、サイリスタのターンオフ時間より長くなければなりません。この転流プロセスは、三相コンバータの概念に似ています。主にT1とT11がコンバータのトリガー角度（60度に等しい）で導通しており、高誘導負荷で連続導通モードで動作していると考えてみましょう。

サイリスタT2とT22がトリガーされた場合、入力デバイスを流れる電流は瞬時に負荷電流レベルまで上昇しません。入ってくるサイリスタを流れる電流が負荷電流レベルに達すると、出て行くサイリスタの転流プロセスが開始されます。サイリスタのこの逆バイアス電圧は、順方向ブロッキング状態に達するまで継続する必要があります。

サイリスタ転流方式の失敗

サイリスタの転流障害は、主にライン転流であり、電圧降下により転流電圧が不足する可能性があるため、次のサイリスタが起動すると故障の原因となります。したがって、転流障害はいくつかの理由で発生します。そのいくつかを以下で説明します。
サイリスタはかなり遅い逆回復時間を提供するため、主逆電流が順方向導通で供給される可能性があります。これは、関連する電力損失によって周期的に現れる「障害電流」がSCR障害時に表示されることを示している可能性があります。

電気回路では、転流は基本的に、電流が回路のある分岐から別の分岐に流れると行われます。転流障害は主に、何らかの理由でパスの変更が失敗すると発生します。
SCRを利用するインバータまたは整流回路の場合、2つの基本的な理由により転流障害が発生する可能性があります。

サイリスタがオンにならない場合、電流の流れは切り替わらず、転流方法が不十分になります。同様に、サイリスタが不足してオフになると、電流の流れが部分的に次の分岐に向かって転流する可能性があります。したがって、これも失敗と見なされます。

自然転流と強制転流技術の違い

自然転流と強制転流の違いについては、以下で説明します。

サイリスタは、単に制御整流器と呼ぶことができます。パワーエレクトロニクスベースの設計に使用されるサイリスタにはさまざまなタイプがあります 革新的な電気プロジェクト 。ゲート端子にトリガーパルスを供給することによってサイリスタをオンにするプロセスは、トリガーと呼ばれます。同様に、サイリスタをオフにするプロセスは転流と呼ばれます。この記事がサイリスタのさまざまな転流技術に関する簡単な情報を提供することを願っています。以下のコメントセクションでのコメントとクエリに基づいて、さらに技術的な支援が提供されます。