Les thyristors classiques se servent du passage par zéro du courant pour s'ouvrir, cela les rend inutilisables seuls pour la commande de courant continu. Des modifications de structure permettent d'ouvrir les thyristors grâce au signal de la gâchette, par exemple dans le cas des GTO (thyristor à extinction par la gâchette) .
Un thyristor possède une anode A et une cathode K ainsi qu'une gâchette G.
=>Pour qu'un thyristor conduise ( interrupteur fermé) :
il faut que la tension UAK≥0 .
et envoyer un courant IG dans la gâchette pour amorcer le thyristor.
Dès que ces deux conditions sont remplies, le thyristor conduit tant que le courant i qui circule dans le thyristor de l'anode vers la cathode reste positif. Dès que le thyristor entre en conduction, il n'est plus nécessaire de faire circuler un courant IG dans la gâchette.
=>Pour qu'un thyristor se bloque (interrupteur ouvert):
il suffit que le courant i s'annule ou d'appliquer une tension VAK fortement négative.
On appelle
_θ , l'angle d'amorçage du thyristor.
_t0 , l'instant d'amorçage du thyristor.
L'angle ou l'instant d'amorçage est repéré par rapport au passage par zéro de la tension d'alimentation du pont.
Rappel : une tension u(t) alternative sinusoïdale a pour période temporelle T période angulaire 2π rad ( 360 ° ).
- le principe :
Le thyristor est un composant électronique semi-conducteur à trois bornes composé de quatre couches de silicium dopées alternativement positivement (P) et négativement (N). La structure en couches P-N-P-N du thyristor peut être modélisée par deux transistors PNP et NPN connectés selon le schéma ci-dessous.
Les deux bornes principales : l'anode et la cathode, se situent de part et d'autre des quatre couches. La troisième borne, appelée gâchette, sert à commander le thyristor. Elle est reliée à la couche P près de la cathode. On peut modéliser le fonctionnement d'un thyristor par deux transistors bipolaires connectés de manière à former une bascule :
- En suivant la convention récepteur on peut définir :
- Vak tension entre l'anode et la cathode du thyristor ;
- Vgk tension entre la gâchette et la cathode ;
- Iak courant considéré comme positif lorsque traversant le thyristor de l'anode vers la cathode ;
- Igk courant considéré comme positif lorsque rentrant sur la gâchette.
Un thyristor a trois états possibles :
- tension négative, thyristor bloqué : Vak est négatif, comme une diode dans ce cas, il est bloqué ;
- tension positive, thyristor bloqué : Vak est positif, mais Igk est nul. À la différence d'une diode, le thyristor est bloqué ;
- tension positive, thyristor passant : Vak est positif (supérieure à la tension de seuil), une impulsion d'un courant Igk positive a été donnée entre la gâchette et la cathode. Le thyristor est passant : il conduit, le courant Iak traverse le thyristor de l'anode vers la cathode. Lorsque celui-ci dépasse initialement la valeur du courant de verrouillage, le thyristor reste conducteur tant que le courant ne descend pas en dessous d'une certaine valeur, appelée courant de maintien. Il se comporte à nouveau comme une diode.
- le fonctionnement d'un thyristor:
- Fonctionnement sur une charge résistive :
Le circuit de commande permet d'envoyer un courant IG dans la gâchette du thyristor.
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| Description de la courbe de IG obtenue. |
- Fonctionnement sur une charge inductive :
On utilise le montage ci-dessous. La charge est une résistance R en série avec un inductance L..
Le circuit de commande permet d'envoyer un courant IG dans la gâchette du thyristor.
=>Pour ωt = θ :
u(t) > 0 et VAK > 0 → le thyristor entre en conduction et VAK = 0. La tension au bornes de la charge RL est UCH (t) = u(t)..
=>Pour ωt = π :
u(t) < 0 et VAK < 0 → le thyristor continue de conduire car i(t) > 0 et VAK = 0.
Pour ωt = ψ : i(t) s'annule et le thyristor cesse de conduire naturellement.
- Types de thyristors:
=>Anode Gate Thyristor (AGT) : un thyristor dont la gâchette est connectée à la couche dopée N près de l'anode.
=>Thyristor asymétrique , Asymmetrical SCR (ASCR).
Bidirectional Control Thyristor (BCT) : un composant de commutation contenant deux structures de thyristors avec deux gâchettes séparées.
=>Breakover Diode (BOD) : un thyristor sans gâchette s'amorçant uniquement grâce à l'effet d'avalanche.
- Diac : deux thyristors en tête-bêche sans gâchette servant à amorcer les Triac.
- Dynistor : dispositif unidirectionnel servant à l'amorçage.
- Diode Shockley : thyristor sans gâchette
- Sidac : composant de commutation bidirectionnel.
- Trisil , Sidactor : composant de protection bidirectionnel.
=>Thyristor GTO (GTO) : thyristor commandé par la gâchette à la fermeture et à l'ouverture.
=>Thyristor ETO (ETO) : thyristor commandé à la fermeture et à l'ouverture grâce à un MOSFET.
=>Integrated gate-commutated thyristor (en) (IGCT) : thyristor commandé à la fermeture et à l'ouverture.
- Distributed Buffer – gate turn-off thyristor (DB-GTO) : thyristor commandé à la fermeture et à l'ouverture.
- Modified anode gate turn-off thyristor (MA-GTO) : GTO modifié.
=>Thyristor à commande optique : thyristor amorcé grâce à la lumière.
=>Thyristor MCT : thyristor avec deux MOSFET intégrés.
=>Silicon Controlled Switch (SCS) ou Thyristor Tetrode : un thyristor avec une gâchette pour l'anode et une pour la cathode.
Silicon-controlled rectifier (SCR) : synonyme pour thyristor.
=>Thyristor à induction statique (SITh) aussi appelé Field Controlled Thyristor : thyristor dont la gâchette est conçue afin de pouvoir interrompre le courant venant de l'anode.
=>Triac (Triode for Alternating Current) : deux thyristors montés en tête-bêche avec gâchette commune.
=>ACS.
=>ACST.
=>Ignitor.
- Thyristor à conduction inverse:
Un thyristor à conduction inverse possède une diode intégrée montée tête-bêche par rapport au thyristor . Cela permet d'économiser une diode de roue libre dans certains circuits. Par ailleurs, les deux éléments ne conduisant jamais simultanément, un système de refroidissement commun peut être employé. Ils sont souvent utilisés dans les onduleurs et les changeurs de fréquence.
- Thyristor à commande optique:
Les thyristors amorcés optiquement utilisent la lumière en lieu et place du courant pour activer la gâchette. Cette dernière est alors placée au centre du thyristor. Le faisceau lumineux, en général des infrarouges, est transmis grâce à une fibre optique. Cette solution est utilisée dans les applications très haute tension, typiquement les HVDC, pour ne pas avoir à placer l'électronique de la gâchette au potentiel des thyristors .
- Thyristor au carbure de silicium:
Le carbure de silicium (SiC) est un matériau pouvant remplacer le silicium dans la construction des thyristors. Il a l'avantage de supporter des températures ambiantes allant jusqu'à 350 °C. Leur utilisation est relativement récente.
- Applications:
Les thyristors sont principalement utilisés lorsque la tension, le courant ou les deux sont élevés. Ils permettent de régler alors l'amplitude du courant appliqué à une charge. Leur ouverture est en général provoquée par le passage par zéro du courant : par commutation par la ligne. Selon les applications, le réglage peut être réalisé par variation de l'angle de retard à l'ouverture comme dans l'animation ci-dessous (réglage de l'angle de phase), ou bien par trains d'ondes entières comme dans certains gradateurs.
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| la tension est en rouge, l'impulsion appliquée à la gâchette est en bleu.En réglant l'instant de l'impulsion on règle la tension. |
d'autres applications :
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