Métodos de conmutación de tiristores en electrónica de potencia.

La mayoría de los equipos convertidores y las fuentes de alimentación conmutadas utilizan electrónica de potencia, como tiristores, MOSFET y otros dispositivos semiconductores de potencia para operaciones de conmutación de alta frecuencia con valores nominales de potencia elevados. Considere los tiristores que usamos con mucha frecuencia como interruptores biestables en varias aplicaciones. Estos tiristores utilizan interruptores que deben encenderse y apagarse. Para activar los tiristores, existen métodos de activación de tiristores llamados métodos de activación de tiristores. Del mismo modo, para desconectar tiristores, existen métodos conocidos como métodos o técnicas de conmutación de tiristores. Antes de analizar las técnicas de conmutación de tiristores, debemos conocer los conceptos básicos de los tiristores, como un tiristor, cómo funcionan los tiristores, los diferentes tipos de tiristores y los métodos para activarlos.

¿Qué es un tiristor?

Los dispositivos semiconductores de dos a cuatro hilos hechos de cuatro capas alternas de materiales de tipo N y P se denominan tiristores. Por lo general, se usan como interruptores biestables que conducirán solo cuando se active la terminal de la puerta del tiristor. Un tiristor también se denomina rectificador controlado por silicio o SCR.

¿Qué es la conmutación SCR?

La conmutación no es más que el método de apagado de un SCR. Es un método utilizado para llevar un SCR o tiristor del estado ON al estado OFF. Sabemos que un SCR se puede activar mediante el uso de una señal de puerta a un SCR cuando está en polarización de transmisión. Pero el SCR debe apagarse cuando sea necesario para controlar la fuente de alimentación, de lo contrario, el acondicionamiento de energía.

Cuando un SCR pasa al modo de conducción de transmisión, su terminal de puerta pierde el control. Para ello, se debe utilizar un circuito adicional para desactivar el tiristor/SCR. Por lo tanto, este circuito adicional se denomina circuito de conmutación.

Por lo tanto, este término se usa principalmente para transferir corriente de un burro a otro. El circuito de conmutación reduce principalmente la corriente directa a cero para apagar el tiristor. Por lo tanto, se deben cumplir las siguientes condiciones para apagar el tiristor una vez que conduce.

• La corriente directa del tiristor o SCR debe reducirse a cero si no está por debajo del nivel de corriente de mantenimiento.
• Se debe suministrar suficiente voltaje inverso a través del SCR/SCR para recuperar su condición de bloqueo directo.

Una vez que el SCR se apaga al reducir la corriente directa a cero, entonces hay portadores de carga en exceso en diferentes capas. Para recuperar el estado de avance desactivado del tiristor, estos portadores de carga en exceso deben recombinarse. Por lo tanto, este método de recombinación se puede acelerar aplicando un voltaje inverso a través de las terminales del tiristor.

Métodos de conmutación de tiristores.

Como hemos estudiado anteriormente, un tiristor puede activarse activando una terminal de puerta con un pulso de bajo voltaje de corta duración. Pero después del encendido, funcionará continuamente hasta que el tiristor esté polarizado inversamente o la corriente de carga caiga a cero. Esta conducción continua de los tiristores plantea problemas en determinadas aplicaciones. El proceso utilizado para apagar un tiristor se llama conmutación. Mediante el proceso de conmutación, el modo de funcionamiento del tiristor cambia del modo de conducción directa al modo de bloqueo directo. Por lo tanto, los métodos de conmutación de tiristores o las técnicas de conmutación de tiristores se utilizan para apagar.

Las técnicas de conmutación de tiristores se clasifican en dos tipos:

• Conmutación natural
• Conmutación forzada

Conmutación natural

Generalmente, considerando la fuente de alimentación de CA, la corriente cruzará la línea de cruce por cero mientras pasa de un pico positivo a un pico negativo. Por lo tanto, aparecerá simultáneamente un voltaje inverso en el dispositivo, que apagará inmediatamente el tiristor. Este proceso se denomina conmutación natural porque el tiristor se apaga de forma natural sin utilizar ningún componente externo, circuito o fuente de alimentación para fines de conmutación.

La conmutación natural se puede ver en los controladores de voltaje de CA, los rectificadores controlados por fase y los cicloconvertidores.

Conmutación forzada

El tiristor se puede desactivar mediante la polarización inversa del SCR o mediante el uso de componentes activos o pasivos. La corriente del tiristor se puede reducir a un valor inferior al valor de la corriente de mantenimiento. Dado que el tiristor se apaga a la fuerza, este es un proceso de conmutación forzada. Los componentes electrónicos y eléctricos básicos, como el inductor y la capacitancia, se utilizan como elementos de conmutación para fines de conmutación.

Se puede observar una conmutación forzada cuando se utiliza alimentación de CC; por eso también se le llama conmutación de CC. El circuito externo utilizado para el proceso de conmutación forzada se denomina circuito de conmutación y los elementos utilizados en este circuito se denominan elementos de conmutación.

Clasificación de los métodos de conmutación forzada

Aquí, la clasificación de los métodos de conmutación de tiristores se analiza a continuación. Su clasificación es principalmente según si el pulso de conmutación es un pulso de corriente o un pulso de tensión, si está conectado en serie/paralelo a través del tiristor a conmutar, si la señal se da a través de un tiristor auxiliar o principal, si el circuito de conmutación se carga desde una fuente auxiliar o principal. La clasificación de los inversores se puede realizar principalmente en función de la ubicación de las señales de conmutación. La conmutación forzada se puede clasificar en diferentes métodos de la siguiente manera:

• Clase A: autoconmutada por una carga resonante
• Clase B: autoconmutado por un circuito LC
• Clase C: Cor LC conmutado por otro portador de carga SCR
• Clase D: C o LC conmutada por un SCR auxiliar
• Clase E: una fuente de impulsos externa para conmutación
• Clase F: conmutación de línea de CA

Clase A: autoconmutada por una carga resonante

La clase A es una de las técnicas de conmutación de tiristores más utilizadas. Si el tiristor se activa o enciende, la corriente del ánodo fluirá cargando el capacitor C con un punto positivo. El circuito subamortiguado de segundo orden está formado por el inductor o resistencia de CA, el condensador y la resistencia. Si se acumula corriente a través del SCR y completa el medio ciclo, la corriente del inductor fluirá a través del SCR en dirección inversa, lo que apagará el tiristor.

Después de cambiar el tiristor o apagar el tiristor, el capacitor comenzará a descargarse desde su valor máximo a través de la resistencia de manera exponencial. El tiristor tendrá polarización inversa hasta que el voltaje del capacitor regrese al nivel de voltaje de suministro.

Clase B: autoconmutado por un circuito LC

La principal diferencia entre los métodos de conmutación de los tiristores de clase A y clase B es que el LC está conectado en serie con el tiristor de clase A, mientras que en paralelo con el tiristor de clase B. Antes de disparar en el SCR, el capacitor se carga ( el punto indica positivo). Si el SCR se dispara o recibe un pulso de disparo, la corriente resultante tiene dos componentes.

La corriente de carga constante que fluye a través de la carga RL está asegurada por la gran reactancia conectada en serie con la carga que está bloqueada con un diodo de rueda libre. Si fluye una corriente sinusoidal a través del circuito LC resonante, el capacitor C se carga con un punto negativo al final del medio ciclo.

La corriente total que fluye a través del SCR se vuelve cero, con la corriente inversa a través del SCR oponiéndose a la corriente de carga por una pequeña fracción de la oscilación negativa. Si la corriente del circuito resonante o la corriente inversa es mayor que la corriente de carga, el SCR se apagará.

Clase C: C o LC conmutada por otro SCR portador de carga

En los métodos de conmutación de tiristores anteriores, hemos observado solo un SCR, pero en estas técnicas de conmutación de tiristores de clase C, habrá dos SCR. Un SCR se considera como tiristor principal y el otro como tiristor auxiliar. En esta clasificación, ambos pueden actuar como SCR principales que transportan la corriente de carga y pueden diseñarse con cuatro SCR con una carga en el capacitor usando una fuente de corriente para impulsar un convertidor integrado.

Si se activa el tiristor T2, el condensador se cargará. Si se activa el tiristor T1, el condensador se descargará y esta corriente de descarga de C se opondrá al flujo de la corriente de carga en T2 cuando el condensador se cambia a T2 a través de T1.

Clase D: LC o C conmutada por un SCR auxiliar

Los modos de conmutación de los tiristores de clase C y clase D se diferencian por la corriente de carga en la clase D: solo uno de los SCR llevará la corriente de carga mientras que el otro actúa como un tiristor auxiliar mientras que en la clase C, ambos SCR llevarán la corriente de carga . El tiristor auxiliar consta de una resistencia en su ánodo que tiene una resistencia de aproximadamente diez veces la resistencia de carga.

Al activar el Ta (tiristor auxiliar), el capacitor se carga hasta el voltaje de suministro, luego el Ta se apaga. El voltaje adicional, si lo hay, debido a la inductancia sustancial en las líneas de entrada se descargará a través del circuito de carga del diodo-inductor.

Si se activa el Tm (tiristor principal), la corriente fluirá en dos caminos: la corriente de conmutación fluirá a través del camino C-Tm-LD y la corriente de carga fluirá a través de la carga. Si la carga en el capacitor se invierte y se mantiene en ese nivel usando el diodo y se vuelve a disparar Ta, entonces el voltaje a través del capacitor aparecerá a través de Tm a través de Ta. Por lo tanto, el tiristor principal Tm se bloqueará.

Clase E: fuente de impulsos externa para conmutación

Para las técnicas de conmutación de tiristores de clase E, un transformador no puede saturarse (porque tiene suficiente espacio de aire) y puede transportar la corriente de carga con una pequeña caída de voltaje del voltaje de suministro. Si se dispara el tiristor T, la corriente fluirá a través del transformador de carga y pulso.

Se utiliza un generador de impulsos externo para generar un impulso positivo que se suministra al cátodo del tiristor a través de un transformador de impulsos. El condensador C está cargado a aproximadamente 1 V y se considera que tiene una impedancia cero durante el pulso de apagado. El voltaje a través del tiristor es invertido por el pulso del transformador eléctrico que suministra la corriente de recuperación inversa y durante el tiempo de apagado requerido mantiene el voltaje negativo.

Clase F: línea de CA conmutada

En las técnicas de conmutación de tiristores de clase F, se utiliza un voltaje alterno para el suministro y durante la alternancia positiva de este suministro, fluirá la corriente de carga. Si la carga es altamente inductiva, la corriente permanecerá hasta que se disipe la energía almacenada en la carga inductiva. Durante el medio ciclo negativo, cuando la corriente de carga se vuelve cero, el tiristor se apaga. Si el voltaje existe durante un período del tiempo nominal de apagado del dispositivo, la polaridad negativa del voltaje a través del tiristor de salida lo apagará.

Aquí, la duración de la alternancia debe ser mayor que el tiempo de bloqueo del tiristor. Este proceso de conmutación es similar al concepto de un convertidor trifásico. Considere que principalmente T1 y T11 son conductores con el ángulo de disparo del convertidor, que es igual a 60 grados y opera en modo de conducción continua con una carga fuertemente inductiva.

Si se activan los tiristores T2 y T22, instantáneamente la corriente que fluye a través de los dispositivos entrantes no alcanzará el nivel de corriente de carga. Si la corriente que fluye a través de los tiristores entrantes alcanza el nivel de corriente de carga, se iniciará el proceso de conmutación de los tiristores salientes. Este voltaje de polarización inversa del tiristor debe mantenerse hasta que se alcance el estado de bloqueo directo.

Fallo de los métodos de conmutación de tiristores.

La falla de conmutación del tiristor ocurre principalmente porque están conectados en línea y la caída de voltaje puede causar que el voltaje de conmutación sea inadecuado, lo que provoca una falla una vez que se enciende el siguiente tiristor. Por lo tanto, la falla de conmutación ocurre debido a varias razones, algunas de las cuales se analizan a continuación.
Los tiristores proporcionan un tiempo de recuperación inversa bastante lento; Por lo tanto, la corriente inversa principal puede proporcionar conducción de transmisión. Esto puede significar "corriente de falla", que aparece cíclicamente por la disipación de potencia asociada que aparece cuando falla el SCR.

En un circuito eléctrico, la conmutación tiene lugar básicamente una vez que el flujo de corriente pasa de una rama del circuito a otra. Una falla del interruptor ocurre principalmente cuando el cambio de ruta falla por algún motivo.
Para un circuito inversor o rectificador que usa SCR, la falla de conmutación puede ocurrir por dos razones básicas.

Si un tiristor no se enciende, el flujo de corriente no cambiará y el método de conmutación fallará. De manera similar, si un tiristor no se apaga, entonces el flujo de corriente puede cambiar parcialmente a la siguiente rama. Por lo tanto, esto también se considera un fracaso.

Diferencia entre las técnicas de conmutación natural y de conmutación forzada

Las diferencias entre la conmutación natural y la conmutación forzada se analizan a continuación.

Conmutación natural	Conmutación forzada
La conmutación natural utiliza voltaje de CA en la entrada	La conmutación forzada utiliza un voltaje de CC en la entrada
No utiliza componentes externos	Utiliza componentes externos
Este tipo de conmutación se usa en controladores de voltaje de CA y rectificadores controlados.	Se utiliza en inverters y choppers.
SCR o tiristor se apagará debido a un voltaje de suministro negativo	El SCR o tiristor se apagará debido al voltaje y la corriente,
Durante la conmutación, no hay pérdida de energía	Durante la conmutación, se produce una pérdida de energía.
Sin gastos	Costo significativo

Un tiristor puede denominarse simplemente rectificador controlado. Existen diferentes tipos de tiristores, que se utilizan para diseñar proyectos eléctricos innovadores basados ​​en la electrónica de potencia. El proceso de encender el tiristor mediante el suministro de pulsos de disparo a la terminal de puerta se llama disparo. De manera similar, el proceso de apagar el tiristor se llama conmutación. Espero que este artículo brinde información breve sobre las diferentes técnicas de conmutación de tiristores. Se proporcionará soporte técnico adicional en función de sus comentarios y preguntas en la sección de comentarios a continuación.