книги / Силовые полупроводниковые приборы

Таблица 3 7. Термины для охладителей

41

3.3. ПОВТОРЯЮЩЕЕСЯ И НЕПОВТОРЯЮЩЕЕСЯ ИМПУЛЬСНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 3.2 и 3.4 приведены вольт-амперные характеристики диода и тиристора. При рассмотрении этих характеристик видно, что при превышении определенного обратного напряжения U(BR) У диода и ти­ ристора обратный ток может достигать больших значений, что приво­ дит, как правило, к необратимым изменениям в структуре и выходу прибора из строя. Если превысить определенное значение в закрытом состоянии U(BO) тиристора, то он переходит в открытое состояние без подачи управляющего сигнала, что при работе преобразователей рав­ носильно аварийному режиму. Поэтому разработчик приборов уста­ навливает определенные границы прикладываемого к прибору напря­ жения, непревышение которых гарантирует его нормальную работу при эксплуатации. Основными параметрами, устанавливаемыми для приборов по напряжению, являются повторяющееся и неповторяю­ щееся импульсные напряжения.

Для пояснения количественных характеристик этих параметров ис­ пользуем вольт-амперные характеристики тиристора в обратном не­ проводящем и закрытом состояниях (рис. 3.10).

Рис. 3.10. К пояснению количественных характеристик основных параметров

UD W M —импульсное рабочее напряжение в закрытом состоянии; Up —постоян­

обратное напряжение; U(RO) ~ напряжение переключения

42

Класс силовых полупроводниковых приборов определяется по значению:

повторяющегося импульсного обратного напряжения U R R M д л я диодов;

наименьшему из значений повторяющегося импульсного обратно­

наименьшему из значений повторяющегося импульсного напряже­ ния в закрытом состоянии, измеренных в обоих направлениях для сим­ метричных тиристоров.

Повторяющееся импульсное обратное напряжение и повторяю­ щееся импульсное напряжение в закрытом состоянии определяются путем умножения иа коэффициент к < 1 (конкретные значения к опре­ деляет предприятие-изготовитель прибора) напряжений пробоя и пере­ ключения. Значения этих параметров выражаются в сотнях вольт, а число сотен вольт определяет класс прибора.

При работе преобразователей могут возникать коммутационные напряжения, превышающие по амплитуде напряжения при нормаль­ ной работе в статических режимах. Для этих случаев в справочных данных приводятся значения неповторяющегося импульсного обратно­ го напряжения URsu (и напряжения в закрытом состоянии и в$м), ко­ торые ие должны превышаться при любых режимах эксплуатации.

Для повышения надежности работы силовых полупроводниковых приборов их обычно выбирают с запасом по напряжению, т. е. выби­ рают рабочее напряжение несколько меньшим повторяющегося. В ка­ честве параметра, регламентирующего этот запас, используется им­ пульсное рабочее обратное напряжение URWM ( и напряжение в закрытом состоянии С/рим)-

При работе приборов в ждущем режиме (в цепях постоянного то­ ка) через прибор протекает постоянный обратный ток (ток в закрытом состоянии). При этом выделяемая в структуре мощность может дости­ гать значения, при котором происходит значительный перегрев струк­ туры. Поэтому напряжение, прикладываемое к прибору в этом режи­ ме, должно быть ограничено. В справочных данных для каждого класса прибора приводятся значения постоянного обратного напряже­ ния Uц (и постоянного напряжения в закрытом состоянии UD).

3.4. МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫЙ СРЕДНИЙ ТОК (ПРЕДЕЛЬНЫЙ ТОК)

Максимально допустимый средний ток характеризует нагрузоч­ ную способность силовых полупроводниковых приборов. В зависимо­ сти от условий работы прибора различают следующие значения мак­ симально допустимого среднего тока.

а) Максимально допустимый 1 средний ток при заданной темпера­ туре корпуса —среднее за период значение прямого тока (тока в ог-*

* Вместо «максимально допустимый ток» можно использовать термин «предельный ток».

43

крытом состоянии), протекающего через прибор, работающий в одно­ фазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180 °, когда при установившемся тепловом состоянии температура кор­ пуса равна заданному значению, а температура перехода равна макси­ мально допустимой.

Для диодов

Для тиристоров и симметричных тиристоров при односторонней проводимости

где U(го) (Ur{To) - пороговое напряжение, В; гт—дифференциальное сопротивление, Ом; Tjm —максимально допустимая температура пере­ хода, °С; [Ге] —температура корпуса, указанная в стандарте или ТУ на данный тип прибора, °С; RthJC—тепловое сопротивление переход — корпус, указанное в стандарте или ТУ на данный тип прибора, °С/Вт (следует помнить, что значения Rthjc симметричного тиристора при односторонней и двусторонней проводимостях не одинаковы).

Максимально допустимый действующий ток в открытом состоя­ нии для симметричных тиристоров определяется при тех же условиях, но при прохождении тока в обоих направлениях:

Ряд значений [T J в выражениях (3.1а) —(3.1в) установлен стандар­ том [1]; для отечественных приборов применяются значения 70, 85, 100, 125, 150 °С (в зависимости от вида или типа).

Если требуется определить максимально допустимый средний ток при других конкретных значениях Тс или рассчитать зависимости до­ пустимого тока от температуры корпуса, то в приведенные выражения вместо [TJ следует подставить конкретное значение Тс или ряд значе­ ний при расчете зависимости.

б) Максимально допустимый средний ток при заданных условиях охлаждения (действующий для симметричных тиристоров при двусто­ ронней проводимости) отличается тем, что вместо регламентируемой температуры корпуса оговариваются температура охлаждающей среды, тип охладителя и интенсивность охлаждения (скорость охла­ ждающего воздуха или расход воды). Выражения для расчета макси­ мально допустимого среднего тока при заданных условиях охлажде-

44

ния .имеют вид:

ля —охлаждающая среда.

Значения максимально допустимого среднего тока при заданных условиях охлаждения приводятся как информационный параметр в технических условиях, отраслевых каталогах и справочных данных на прибор при температуре охлаждающей среды 40 °С (для воды 30 °С) для одного или нескольких рекомендуемых типов охладителей с указа­ нием интенсивности охлаждения.

в) Максимально допустимый средний ток (действующий для сим­ метричных тиристоров при двусторонней проводимости) при заданных условиях работы может быть рассчитан из выражений:

45

Рис. 3.11. Зависимости коэф­ фициента формы от угла уп­ равления для схем выпрям­ ления :

I —однофазной однополупериодной и однофазной мос­ товой, // —трехфазной с ну­ левой точкой, / / / —трех­ фазной мостовой, IV — шес­ тифазной, а —угол управ­ ления, р - угол проводи­

мости

для симметричного тиристора при двусторонней проводимости

2«фгт

Ввыражениях (3.3а) —(3 Зв) кф —коэффициент формы тока, равный отношению действующего значения тока к среднему. Зависймости коэффициентов формы от угла управления для различных схем выпрямления приведены на рис. 3.11.

Вотдельных случаях при обеспечении хорошего охлаждения при­ бор может нагружаться током, значение которого выше максимально

допустимого, оговоренного для заданных условий охлаждения. При этом не должно превышаться регламентируемое значение максималь­ но допустимого действующего прямого тока (тока в открытом состоя­ нии), которое указывается в информационных материалах и равно, как правило, 1,57 значения максимально допустимого среднего прямого тока (тока в открытом состоянии). Для приборов одного типоразмера с разными значениями предельного среднего тока максимально допу­ стимый действующий ток одинаков и равен наибольшему из рас­ четных значений по максимально допустимому среднему току. Необ­ ходимость этого параметра обусловлена тем, что при больших действующих значениях тока прибор может выйти из строя не вслед­ ствие потери запирающей способности прибора, а из-за разрушения отдельных элементов конструкции (внутренний и внешний гибкие вы­ воды и др.).

С возрастанием частоты следования через прибор импульсов тока средцяя за период мощность потерь, определяющая степень нагрева перехода, увеличивается. В значительно большей мере это относится к тиристорам, поскольку кроме потерь, имеющих место в диоде, нуж-

46

Рис. 3.12. Зависимость допустимой амплитуды импульсов тока IfM (1щ) от длительности импульсов I, и частоты / Л < /2 < /з < /4 Масштаб по осям логарифмический

Рнс. 3.13. Зависимость допустимой суммарной энергии потерь за одни им­ пульс £ от его длительности Е\ > Е2 > > £ 4 Масштаб по осям ло­ гарифмический

но учитывать потери в цепи управления и потерн при включении. С целью облегчения количественной оценки этих потерь в справочных данных на бысгровосстанавливающиеся диоды и быстродействующие тиристоры приводятся зависимости допустимой амплитуды импульсов тока от длительности импульса и частоты, а также зависимости допу­ стимой суммарной энергии потерь за импульс от его длительно­ сти. По первым характеристикам можно без расчетов определить до­ пустимость нагрузки прибора импульсами тока определенной ампли­ туды и длительности, следующими с заданной частотой, если известна или задана температура корпуса прибора. Характеристики приводятся в логарифмическом масштабе (рис. 3.12) для конкретного типа прибо­ ра. При известной длительности импульсов тока (tl, следующих с ча­ стотой / 2, допустимая амплитуда тока определяется в соответствии с рис. 3.12 и равна IFm (1Тм\)-

Второй вид зависимостей в общем виде приведен на рис. 3.13. Чтобы определить среднюю мощность потерь, зная амплитуду им­ пульсов тока I FMI (/TMI) и их длительность t:1, нужно найти по графи­ ку значение энергии одного импульса £ 2 (точка А) и затем умножить его иа частоту повторения импульсов.

Необходимо иметь в виду, что нагрузочная способность тиристора на частотах, отличающихся от 50 Гц, будет уменьшаться. В общем виде такая характеристика приведе­ на на рис. 3.14. При возрастании частоты снижение нагрузки проис-

Рнс. 3.14. Частотаяя характеристика силового полупроводникового прибора

47

ходит из-за увеличения мощности потерь при включении и выключении тиристора.

Из рис. 3.14 видно, что снижение допустимой нагрузки имеет ме­ сто и при уменьшении частоты. Это объясняется тем, что при неболь­ шом среднем значении тока возрастает амплитуда импульсов, и хотя средняя температура остается незначительной, возрастает амплитуда ее колебаний, так что при этом может быть превышено значение мак­ симально допустимой температуры перехода.

3.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРОДА

Для того чтобы перевести тиристор в открытое состояние, на его управляющий электрод необходимо подать сигнал определенных ам­ плитуды, длительности и полярности. При этом амплитуда и длитель­ ность управляющего импульса ограничиваются сверху и снизу рядом требований.

Измерение отпирающих тока и напряжения управления произво­ дится при напряжении в закрытом состоянии, равном 12 В. При плав­ ном повышении прямого напряжения иа управляющем электроде от­ мечается момент резкого снижения напряжения в закрытом состоянии, что означает включение прибора. Измеренные в этот момент напряже­ ния и ток управления фиксируются как отпирающие значения (UCT>

IGT)-

В диапазоне рабочих температур (от максимально до минимально допустимого значения) отпирающие ток и напряжение изменяются, уменьшаясь при возрастании температуры. Для определения зон га­ рантированного отпирания приборов конкретного типа снимаются за­ висимости тока через управляющий электрод от прямого напряжения управления (входные характеристики) для приборов с максимальным сопротивлением цепи управляющего электрода {Raid при максимально допустимой температуре приборов и с минимальным входным сопро­ тивлением (Rcmi/i) при минимально допустимой температуре (рис. 3.15). Зоны гарантированного включения ограничиваются этими входными характеристиками и наибольшими для данного типа тиристоров значе­ ниями отпирающих тока и напряжения при минимально и максималь­ но допустимых температурах (Татт, Тат), а также при нормальной (комнатной) температуре Та = 20 + 5 °С, при которой регламентируют­ ся нормируемые значения UGT и /<зг конкретного типа тиристоров. На

этой диаграмме указывается также значение неотпирающего напряжения управления UGDпри максимально допустимой тем­ пературе перехода.

Рнс. 3.15. Зоны гарантированного включения тиристоров:

IQT, UG T ~ отпирающие ток и напря­ жение управления, Tam > Та > Tamin

48

Рассмотренные диаграммы приводятся в справочных данных для постоянного напряжения на управляющем электроде. В большинстве случаев в преобразователях используется управление импульсами, при­ чем управляющие импульсы могут иметь длительность несколько ми­ кросекунд. При этом для включения тиристора требуется больший ток через управляющий электрод чем значение отпирающего тока управ­ ления 1СТ. На рис. 3.16 приведены зависимости относительного значе­ ния отпирающего импульсного прямого тока управления I FCU от дли­ тельности управляющего импульса Г(;.

Процесс отпирания тиристора происходит тем быстрее, чем с большей скоростью нарастает ток управления. При малой скорости нарастания тока управления из-за ограничения скорости распростране­ ния включенной зоны при фиксированной скорости нарастания анод­ ного тока возникают участки с большой плотностью выделяемой мощности, что может привести к пробою полупроводниковой струк­ туры. Поэтому значения таких параметров, как критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии и время включения, регламен­ тированы при скорости нарастания тока управления не менее 1 А/мкс.

Процесс включения ускоряется и при повышении амплитуды тока управляющего импульса. Однако это повышение должно быть ограни­ чено до значения, при котором мощность, выделяемая в управляю­ щем р-п переходе, не приводит к его пробою. Для оценки допустимых значений этой мощности в справочных данных предприятий-нзготови- телей полупроводниковых приборов приводятся диаграммы, общий вид которых показан на рис. 3.17. При управлении постоянным током кривая допустимой мощности проходит через точку В, характеризую­ щую верхний предел мощности. Каждая точка этой кривой соответ­ ствует значениям тока и напряжения управления, нревышающим зна­ чения отпирающих напряжения и тока управления при минимально допустимой температуре и, таким образом, обеспечивающим увереи-

Рис. 3.17. Предельные характеристики управляющего электрода

49

иое включение тиристора. Выше этой кривой лежит кривая допусти­ мой мощности потерь при управлении импульсами длительностью t<j|. Допустимое значение импульсной мощности в цепи управления в этом случае больше, чем при постоянном токе. Аналогично располагаются кривые допустимых мощностей импульсов управления при tc4 < tG3 < < £G2 < tci- Мощность Рромт соответствует минимальной возможной длительности управляющего импульса (10—50 мкс) и исчисляется обы­ чно сотнями ватт, тогда как допустимая мощность при постоянном токе составляет единицы ватт.

Диаграмма импульсного управления используется также для опре­ деления параметров выходных каскадов схем формирования упра­ вляющих импульсов. К таким параметрам относятся напряжение хо­ лостого хода Ur и внутреннее сопротивление генератора Rr.

В качестве примера на рис. 3.17 иллюстрируется принцип выбора параметров генератора управляющих импульсов [17] длительностью tc3. Линия нагрузки генератора RGm ие должна проходить ниже обла­ сти гарантированной зоны включения тиристора (заштрихованная зо­ на) и может лишь касаться этой области (точка В). С другой стороны, линия нагрузки RGmw ие должна проходить выше линии допустимой мощности потерь в цепи управления для данной длительности импуль­ са tGз (точка С). Таким образом, линией нагрузки может быть линия Rr, положение которой иа диаграмме определяет напряжение холо­ стого хода Ur и ток короткого замыкания / г 3 генератора, численно равные соответственно отрезкам OUT и 0 /к у Внутреннее сопротивле­ ние генератора управляющих импульсов RTравно частному от деления этих величин. Необходимая длительность фронта импульсов может быть обеспечена снижением индуктивности выходного импульсного трансформатора и компоновкой узлов преобразователя, при которой обеспечивается минимальная длина проводников, соединяющих схему управления с управляющим электродом тиристора.

На диаграмме импульсного управления указываются также значе­ ния максимально допустимых импульсных тока и напряжения упра­ вления Ijraum и VFGum> которые не должны превышаться даже при самых малых длительностях управляющего импульса. При этом нужно иметь в виду, что значения этих параметров могут быть и меньше, ес­ ли их произведение для конкретного прибора превышает допустимое значение мощности управления Ррсмт Для заданной длительности импульса.

3.6.ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ

СПОСОБНОСТИ

Во многих случаях в преобразователях на основе силовых полу­ проводниковых приборов используются быстродействующие схемы за­ питы, исключающие воздействие напряжения на элементы схемы по­ сле срабатывания (предохранители, сеточная защита, быстродействую­ щие выключатели и др.). Структура полупроводникового прибора при отсутствии на ней напряжения может выдерживать кратковременно воздействие температуры в несколько сот градусов Цельсия "и при от­

50