Thyristor

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Thyristor
SCR1369.jpg
Thyristor
TaperActif
Première fabrication1956
Configuration des brochesanode , grille et cathode
Symbole électronique
IEEE 315-1975 (1993) 8.5.8.1.c.svg

Un thyristor ( / θ ˈ r ɪ s t ər / ) est un dispositif semi - conducteur à l'état solide avec quatre couches de matériaux alternés de type P et N utilisés pour les applications à haute puissance. [1] : 12  Il agit exclusivement comme un interrupteur bistable , [1] : 12  conducteur lorsque la porte reçoit un déclenchement de courant, et continuant à conduire jusqu'à ce que la tension aux bornes de l'appareil soit polarisée en inverse, ou jusqu'à ce que la tension soit supprimée (par certains autres moyens). [1] : 12 Il existe deux conceptions, qui diffèrent par ce qui déclenche l'état conducteur. Dans un thyristor à trois fils, un petit courant sur son fil de grille contrôle le plus grand courant du chemin anode à cathode. Dans un thyristor à deux conducteurs, la conduction commence lorsque la différence de potentiel entre l'anode et la cathode elles-mêmes est suffisamment grande (tension de claquage).

Certaines sources définissent le redresseur contrôlé au silicium (SCR) et le thyristor comme synonymes. [2] D'autres sources définissent les thyristors comme des dispositifs plus complexes qui incorporent au moins quatre couches de substrats alternés de type N et de type P.

Les premiers dispositifs à thyristors ont été commercialisés en 1956. Étant donné que les thyristors peuvent contrôler une quantité relativement importante de puissance et de tension avec un petit dispositif, ils trouvent une large application dans le contrôle de l'énergie électrique, allant des gradateurs de lumière et du contrôle de la vitesse du moteur électrique à la haute tension. courant continupuissance de transmission. Les thyristors peuvent être utilisés dans les circuits de commutation de puissance, les circuits de remplacement de relais, les circuits inverseurs, les circuits oscillateurs, les circuits de détection de niveau, les circuits hacheurs, les circuits de gradation de lumière, les circuits de minuterie à faible coût, les circuits logiques, les circuits de contrôle de vitesse, les phases circuits de commande, etc. À l'origine, les thyristors ne reposaient que sur l'inversion de courant pour les désactiver, ce qui les rendait difficiles à appliquer pour le courant continu; les nouveaux types d'appareils peuvent être activés et désactivés via le signal de la porte de contrôle. Ce dernier est connu sous le nom de thyristor à désactivation de gâchette ou thyristor GTO. Contrairement aux transistors, les thyristors ont une caractéristique de commutation à deux valeurs, ce qui signifie qu'un thyristor ne peut être que complètement activé ou désactivé, tandis qu'un transistor peut se situer entre les états activé et désactivé. Cela rend un thyristor inadapté comme amplificateur analogique, mais utile comme interrupteur.

Présentation

Le thyristor est un dispositif semi-conducteur à quatre couches et à trois bornes, chaque couche étant constituée d'un matériau alterné de type N ou de type P , par exemple PNPN. Les bornes principales, étiquetées anode et cathode, se trouvent sur les quatre couches. La borne de commande, appelée porte, est attachée à un matériau de type p près de la cathode. (Une variante appelée SCS - interrupteur commandé au silicium - amène les quatre couches aux bornes.) Le fonctionnement d'un thyristor peut être compris en termes d'une paire de transistors à jonction bipolaire étroitement couplés , agencés pour provoquer une action d'auto-verrouillage :

Structure au niveau physique et électronique, et le symbole du thyristor.

Les thyristors ont trois états :

  1. Mode de blocage inverse - La tension est appliquée dans la direction qui serait bloquée par une diode
  2. Mode de blocage direct - La tension est appliquée dans la direction qui ferait conduire une diode, mais le thyristor n'a pas été déclenché en conduction
  3. Mode conducteur direct - Le thyristor a été déclenché en conduction et restera conducteur jusqu'à ce que le courant direct tombe en dessous d'une valeur seuil appelée «courant de maintien»

Fonction du terminal de porte

Le thyristor a trois jonctions pn (nommées en série J 1 , J 2 , J 3 à partir de l'anode).

Schéma de couche du thyristor.

Lorsque l'anode est à un potentiel positif V AK par rapport à la cathode sans tension appliquée sur la grille, les jonctions J 1 et J 3 sont polarisées en direct, tandis que la jonction J 2 est polarisée en inverse. Comme J 2 est polarisé en inverse, aucune conduction n'a lieu (état Off). Maintenant, si V AK est augmentée au-delà de la tension de claquage V BO du thyristor, il se produit un claquage par avalanche de J 2 et le thyristor commence à conduire (état On).

Si un potentiel positif V G est appliqué à la borne de grille par rapport à la cathode, le claquage de la jonction J 2 se produit à une valeur inférieure de V AK . En sélectionnant une valeur appropriée de V G , le thyristor peut être commuté rapidement dans l'état passant.

Une fois le claquage par avalanche, le thyristor continue à conduire, quelle que soit la tension de gâchette, jusqu'à ce que : (a) le potentiel V AK soit supprimé ou (b) le courant traversant l'appareil (anode−cathode) devienne inférieur au courant de maintien spécifié par le fabricant. Par conséquent , V G peut être une impulsion de tension, telle que la tension de sortie d'un oscillateur à relaxation UJT .

Les impulsions de grille sont caractérisées en termes de tension de déclenchement de grille ( V GT ) et de courant de déclenchement de grille ( I GT ). Le courant de déclenchement de la gâchette varie inversement avec la largeur d'impulsion de la gâchette de telle manière qu'il est évident qu'il y a une charge de gâchette minimale requise pour déclencher le thyristor.

Caractéristiques de commutation

Caractéristiques V - I .

Dans un thyristor conventionnel, une fois qu'il a été allumé par la borne de gâchette, le dispositif reste verrouillé à l'état passant ( c'est-à- dire qu'il n'a pas besoin d'une alimentation continue de courant de gâchette pour rester à l'état passant), à condition que le courant d'anode ait dépassé le courant d'accrochage ( I L ). Tant que l'anode reste polarisée positivement, elle ne peut être éteinte que si le courant descend en dessous du courant de maintien ( I H ). Dans des conditions de travail normales, le courant de verrouillage est toujours supérieur au courant de maintien. Dans la figure ci-dessus, I L doit venir au-dessus de I H sur l'axe y puisque I L > I H .

Un thyristor peut être désactivé si le circuit externe provoque une polarisation négative de l'anode (une méthode connue sous le nom de commutation naturelle ou de ligne). Dans certaines applications, cela se fait en commutant un deuxième thyristor pour décharger un condensateur dans l'anode du premier thyristor. Cette méthode est appelée commutation forcée.

Une fois que le courant traversant le thyristor tombe en dessous du courant de maintien, il doit y avoir un délai avant que l'anode puisse être polarisée positivement et maintenir le thyristor à l'état bloqué. Ce retard minimum est appelé temps de désactivation commuté du circuit ( t Q ). Tenter de polariser positivement l'anode dans ce délai provoque l'auto-déclenchement du thyristor par les porteurs de charge restants ( trous et électrons ) qui ne se sont pas encore recombinés .

Pour les applications avec des fréquences supérieures à l'alimentation secteur domestique (par exemple 50 Hz ou 60 Hz), des thyristors avec des valeurs inférieures de t Q sont nécessaires. Ces thyristors rapides peuvent être fabriqués en diffusant des ions de métaux lourds tels que l'or ou le platine qui agissent comme des centres de combinaison de charge dans le silicium. Aujourd'hui, les thyristors rapides sont le plus souvent réalisés par irradiation électronique ou protonique du silicium, ou par implantation ionique . L'irradiation est plus polyvalente que le dopage aux métaux lourds car elle permet d'ajuster le dosage par étapes fines, même à un stade assez avancé du traitement du silicium.

Historique

Le redresseur contrôlé au silicium (SCR) ou thyristor proposé par William Shockley en 1950 et défendu par Moll et d'autres chez Bell Labs a été développé en 1956 par des ingénieurs électriciens de General Electric (GE), dirigé par Gordon Hall et commercialisé par Frank W de GE " Bill" Gutzwiller. L' Institute of Electrical and Electronics Engineers a reconnu l'invention en plaçant une plaque sur le site de l'invention à Clyde, NY et en la déclarant une étape historique de l'IEEE.

Une batterie de six thyristors de 2000 A (disques blancs alignés en haut, et vus par la tranche)

Étymologie

Un ancien dispositif à tube rempli de gaz appelé thyratron offrait une capacité de commutation électronique similaire, où une petite tension de commande pouvait commuter un courant important. C'est d'une combinaison de « THYRatron » et de « transISTOR » que le terme « thyristor » est dérivé. [3] [1] : 12 

Candidatures

Formes d'onde dans un circuit à thyristors multiples redressé contrôlant un courant alternatif.
Trace rouge : tension de charge (sortie)
Trace bleue : tension de déclenchement.

Les thyristors sont principalement utilisés lorsque des courants et des tensions élevés sont impliqués, et sont souvent utilisés pour contrôler les courants alternatifs , où le changement de polarité du courant provoque l'arrêt automatique de l'appareil, appelé fonctionnement " zero cross ". On peut dire que le dispositif fonctionne de manière synchrone ; étant que, une fois que le dispositif est déclenché, il conduit le courant en phase avec la tension appliquée sur sa cathode à la jonction d'anode sans qu'aucune autre modulation de grille ne soit nécessaire, c'est-à-dire que le dispositif est complètement polarisé . Cela ne doit pas être confondu avec un fonctionnement asymétrique, car la sortie est unidirectionnelle, ne circulant que de la cathode à l'anode, et est donc de nature asymétrique.

Les thyristors peuvent être utilisés comme éléments de commande pour les contrôleurs déclenchés par angle de phase, également appelés contrôleurs déclenchés par phase .

On les trouve également dans les alimentations pour circuits numériques , où ils sont utilisés comme une sorte de " disjoncteur amélioré " pour éviter qu'une panne de l'alimentation n'endommage les composants en aval. Un thyristor est utilisé en conjonction avec une diode Zener attachée à sa grille, et si la tension de sortie de l'alimentation dépasse la tension Zener, le thyristor conduira et court-circuitera la sortie de l'alimentation à la terre (en général également en déclenchant un amont disjoncteur ou fusible ). Ce type de circuit de protection est connu sous le nom de pied de biche, et présente l'avantage par rapport à un disjoncteur ou un fusible standard en ce qu'il crée un chemin à haute conductivité vers la terre pour la tension d'alimentation dommageable et potentiellement pour l'énergie stockée dans le système alimenté.

La première application à grande échelle des thyristors, avec diac de déclenchement associé , dans les produits de consommation liés aux alimentations stabilisées dans les récepteurs de télévision couleur au début des années 1970. [ Clarification nécessaire ] L'alimentation CC haute tension stabilisée pour le récepteur a été obtenue en déplaçant le point de commutation du thyristor de haut en bas sur la pente descendante de la moitié positive de l'entrée d'alimentation CA (si la pente montante était utilisée, la tension de sortie augmenterait toujours vers la tension d'entrée de crête lorsque l'appareil a été déclenché et irait ainsi à l'encontre de l'objectif de la régulation). Le point de commutation précis a été déterminé par la charge sur l'alimentation de sortie CC, ainsi que par les fluctuations d'entrée CA.

Les thyristors ont été utilisés pendant des décennies comme gradateurs de lumière à la télévision , au cinéma et au théâtre , où ils ont remplacé des technologies inférieures telles que les autotransformateurs et les rhéostats . Ils ont également été utilisés en photographie comme élément essentiel des flashs (stroboscopes).

Circuits

Les thyristors peuvent être déclenchés par un taux de montée élevé de la tension à l'état bloqué. Lors de l'augmentation de la tension à l'état bloqué aux bornes de l'anode et de la cathode du thyristor, il y aura un flux de charges similaire au courant de charge d'un condensateur. Le taux maximal de montée de la tension à l'état bloqué ou de la valeur dV/dt d'un thyristor est un paramètre important car il indique le taux maximal de montée de la tension d'anode qui ne met pas le thyristor en conduction lorsqu'aucun signal de gâchette n'est appliqué. Lorsque le flux de charges dû au taux de montée de la tension à l'état bloqué à travers l'anode et la cathode du thyristor devient égal au flux de charges injecté lorsque la porte est alimentée, cela conduit à un déclenchement aléatoire et faux du thyristor qui est indésirable . [4]

Ceci est évité en connectant un circuit d' amortissement résistance - condensateur (RC) entre l'anode et la cathode afin de limiter le dV/dt (c'est-à-dire le taux de changement de tension dans le temps). Les amortisseurs sont des circuits absorbant l'énergie utilisés pour supprimer les pointes de tension causées par l'inductance du circuit lorsqu'un interrupteur, électrique ou mécanique, s'ouvre. Le circuit d'amortissement le plus courant est un condensateur et une résistance connectés en série à travers le commutateur (transistor).

HVDC

Salle des vannes contenantpiles de vannes à thyristor utilisées pour le transport d'électricité sur de longues distances à partir desbarragesManitoba Hydro

Étant donné que les thyristors modernes peuvent commuter la puissance à l'échelle des mégawatts , les valves à thyristors sont devenues le cœur de la conversion du courant continu haute tension (HVDC) vers ou depuis le courant alternatif. Dans ce domaine et dans d'autres applications à très haute puissance, [1] : 12  thyristors déclenchés électriquement (ETT) et déclenchés par la lumière (LTT) [5] [6] sont toujours le premier choix. Les thyristors sont disposés dans un circuit en pont de diodes et pour réduire les harmoniques sont connectés en série pour former un convertisseur à 12 impulsions . Chaque thyristor est refroidi avec de l'eau déminéralisée, et l' agencement entier devient l' un de plusieurs modules identiques formant une couche dans un empilement de vannes multicouche appelé vanne quadruple . Trois de ces piles sont généralement montées sur le sol ou suspendues au plafond de la salle des vannes d'une installation de transmission longue distance. [7] [8]

Comparaisons avec d'autres appareils

TRIAC

L'inconvénient fonctionnel d'un thyristor est que, comme une diode, il ne conduit que dans un sens et ne peut donc pas être utilisé en toute sécurité avec du courant alternatif . Un dispositif similaire à 5 couches à verrouillage automatique, appelé TRIAC , est capable de fonctionner dans les deux sens. Cette capacité supplémentaire, cependant, peut également devenir un manque à gagner. Étant donné que le TRIAC peut conduire dans les deux sens, les charges réactives peuvent l'empêcher de s'éteindre pendant les instants sans tension du cycle d'alimentation CA. Pour cette raison, l'utilisation de TRIAC avec (par exemple) des charges de moteur fortement inductives nécessite généralement l'utilisation d'un circuit " amortisseur " autour du TRIAC pour garantir qu'il s'éteindra à chaque demi-cycle de l'alimentation secteur. Parallèle inverseLes SCR peuvent également être utilisés à la place du triac; comme chaque SCR de la paire se voit appliquer un demi-cycle entier de polarité inverse, les SCR, contrairement aux TRIAC, sont sûrs de s'éteindre. Le "prix" à payer pour cet agencement, cependant, est la complexité supplémentaire de deux circuits de déclenchement séparés, mais essentiellement identiques.

MOSFET de puissance et IGBT

Bien que les thyristors soient largement utilisés dans le redressement à l'échelle du mégawatt du courant alternatif au courant continu, dans les applications de faible et moyenne puissance (de quelques dizaines de watts à quelques dizaines de kilowatts), ils ont pratiquement été remplacés par d'autres dispositifs dotés de caractéristiques de commutation supérieures comme les MOSFET de puissance. ou IGBT . Un problème majeur associé aux SCR est qu'ils ne sont pas des commutateurs entièrement contrôlables. Le thyristor GTO et l' IGCT sont deux dispositifs liés au thyristor qui résolvent ce problème. Dans les applications haute fréquence, les thyristors sont de mauvais candidats en raison des longs temps de commutation résultant de la conduction bipolaire. Les MOSFET, d'autre part, ont une capacité de commutation beaucoup plus rapide en raison de leur conduction unipolaire (uniquementporteurs majoritaires portent le courant).

Modes de défaillance

Les fabricants de thyristors spécifient généralement une zone d'amorçage sûr définissant des niveaux acceptables de tension et de courant pour une température de fonctionnement donnée . La frontière de cette région est en partie déterminée par l'exigence selon laquelle la puissance de grille maximale autorisée (PG ) , spécifiée pour une durée d'impulsion de déclenchement donnée, n'est pas dépassée. [9]

En plus des modes de défaillance habituels dus au dépassement de la tension, du courant ou de la puissance nominale, les thyristors ont leurs propres modes de défaillance particuliers, notamment :

  • Allumer di/dt - dans lequel le taux de montée du courant à l'état passant après le déclenchement est supérieur à ce qui peut être supporté par la vitesse d'étalement de la zone de conduction active (SCR et triacs).
  • Commutation forcée - dans laquelle le courant de récupération inverse de crête transitoire provoque une chute de tension si élevée dans la région de la sous-cathode qu'elle dépasse la tension de claquage inverse de la jonction de diode de cathode de grille (SCR uniquement).
  • Allumez dv/dt - le thyristor peut être déclenché de manière intempestive sans déclenchement à partir de la porte si le taux de montée de la tension anode-cathode est trop important.

carbure de

Ces dernières années, certains fabricants [10] ont développé des thyristors utilisant du carbure de silicium (SiC) comme matériau semi-conducteur. Ceux-ci ont des applications dans des environnements à haute température, étant capables de fonctionner à des températures allant jusqu'à 350 °C.

Genre

  • ACS
  • ACST
  • AGT - Anode Gate Thyristor - Un thyristor avec porte sur une couche de type n près de l'anode
  • ASCR – SCR asymétrique
  • BCT - Thyristor de contrôle bidirectionnel - Un dispositif de commutation bidirectionnel contenant deux structures de thyristor avec des contacts de grille séparés
  • BOD - Breakover Diode - Un thyristor sans grille déclenché par un courant d'avalanche
    • DIAC - Dispositif de déclenchement bidirectionnel
    • Dynistor - Dispositif de commutation unidirectionnel
    • Diode Shockley - Dispositif de déclenchement et de commutation unidirectionnel
    • SIDAC – Dispositif de commutation bidirectionnel
    • Trisil , SIDACtor – Dispositifs de protection bidirectionnelle
  • BRT - Thyristor à résistance de base contrôlée
  • ETO - Thyristor de désactivation de l'émetteur [11]
  • GTO - Thyristor d'arrêt de porte
    • DB-GTO - Thyristor de coupure de porte tampon distribué
    • MA-GTO - Thyristor de désactivation de gâchette d'anode modifié
  • IGCT - Thyristor commuté par grille intégré
  • Ignitor - Générateurs d'étincelles pour allume-feu ckts
  • LASCR - SCR activé par la lumière, ou LTT - thyristor déclenché par la lumière
  • LASS - interrupteur semi-conducteur activé par la lumière
  • MCT - MOSFET Controlled Thyristor - Il contient deux structures FET supplémentaires pour le contrôle marche / arrêt.
  • CSMT ou MCS - Thyristor à induction statique composite MOS
  • PUT ou PUJT - Transistor unijonction programmable - Un thyristor avec grille sur une couche de type n près de l'anode utilisé comme remplacement fonctionnel du transistor unijonction
  • RCT - Thyristor à conduction inverse
  • SCS - Silicon Controlled Switch ou Thyristor Tetrode - Un thyristor avec des portes de cathode et d'anode
  • SCR - Redresseur contrôlé au silicium
  • SITh - Static Induction Thyristor, ou FCTh - Field Controlled Thyristor - contenant une structure de grille qui peut arrêter le flux de courant d'anode.
  • TRIAC - Triode pour courant alternatif - Un dispositif de commutation bidirectionnel contenant deux structures de thyristors avec contact de gâchette commun
  • Quadrac - type spécial de thyristor qui combine un DIAC et un TRIAC dans un seul boîtier.

Thyristor

Un thyristor à conduction inverse (RCT) a une diode inverse intégrée , il n'est donc pas capable de bloquer l'inverse. Ces dispositifs sont avantageux lorsqu'une diode inverse ou roue libre doit être utilisée. Étant donné que le SCR et la diode ne conduisent jamais en même temps, ils ne produisent pas de chaleur simultanément et peuvent facilement être intégrés et refroidis ensemble. Les thyristors à conduction inverse sont souvent utilisés dans les changeurs de fréquence et les onduleurs .

Photothyristors

Symbole électronique pour SCR activé par la lumière (LASCR)

Les photothyristors sont activés par la lumière. L'avantage des photothyristors est leur insensibilité aux signaux électriques, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements dans des environnements électriquement bruyants. Un thyristor déclenché par la lumière (LTT) a une région optiquement sensible dans sa grille, dans laquelle un rayonnement électromagnétique (généralement infrarouge ) est couplé par une fibre optique . Puisqu'aucune carte électronique n'a besoin d'être fournie au potentiel du thyristor pour le déclencher, les thyristors déclenchés par la lumière peuvent être un avantage dans les applications haute tension telles que HVDC. Les thyristors déclenchés par la lumière sont disponibles avec une protection intégrée contre les surtensions (VBO), qui déclenche le thyristor lorsque la tension directe à travers celui-ci devient trop élevée ; ils ont également été fabriqués avec une protection de récupération intégrée , mais pas commercialement. Malgré la simplification qu'ils peuvent apporter à l'électronique d'une vanne HVDC, les thyristors déclenchés par la lumière peuvent encore nécessiter une électronique de surveillance simple et ne sont disponibles que chez quelques fabricants.

Deux photothyristors courants incluent le SCR activé par la lumière (LASCR) et le TRIAC activé par la lumière . Un LASCR agit comme un interrupteur qui s'allume lorsqu'il est exposé à la lumière. Suite à l'exposition à la lumière, lorsque la lumière est absente, si l'alimentation n'est pas coupée et que les polarités de la cathode et de l'anode ne se sont pas encore inversées, le LASCR est toujours à l'état "on". Un TRIAC activé par la lumière ressemble à un LASCR, sauf qu'il est conçu pour les courants alternatifs.

Voir aussi

Références

  1. ^ un bcde Paul , PJ (2003) . Appareils et circuits électroniques . New Delhi : New Age International (P) Ltd., éditeurs. ISBN 81-224-1415-X. OCLC  232176984 .
  2. ^ Christiansen, Donald; Alexandre, Charles K. (2005); Manuel standard de génie électrique (5e édition.) . McGraw-Hill, ISBN 0-07-138421-9 
  3. ^ [1] Archivé le 5 septembre 2012 à la Wayback Machine
  4. ^ "Les cotes di / dt et dv / dt et la protection du SCR ou du thyristor" . Esprit électronique . 5 décembre 2021.
  5. ^ "Chapitre 5.1". Transmission à courant continu haute tension - Technologie éprouvée pour l'échange d'énergie (PDF) . Siemens . Récupéré le 04/08/2013 .
  6. ^ "ETT contre LTT pour HVDC" (PDF) . ABB Asea Brown Boveri . Récupéré le 24/01/2014 . {{cite journal}}:Cite journal requires |journal= (help)
  7. ^ "Vannes à thyristors HVDC" . ABB Asea Brown Boveri . Archivé de l'original le 22 janvier 2009 . Récupéré le 20/12/2008 . {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  8. ^ "Puissance élevée" . IET . Archivé de l'original le 10 septembre 2009 . Récupéré le 12/07/2009 . {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  9. ^ "Déclenchement en toute sécurité des thyristors" sur powerguru.org
  10. ^ Exemple: l'onduleur au carbure de silicium démontre une puissance de sortie plus élevée dans la technologie de l'électronique de puissance (2006-02-01)
  11. ^ Rashid, Muhammad H. (2011); Électronique de puissance (3e éd.) . Pearson, ISBN 978-81-317-0246-8 

Source

Liens externes