книги / Силовые полупроводниковые приборы

Мощность потерь Р^. найдена по формуле (3.76), значение R^.—по формуле (3.15).

Допустимую амплитуду тока перегрузки определяем по формуле (4.196)

l/l,152 + 4-14 10-4 -820 - 1,15

1тлуМт -------------- r iz w * -----------* 460 А-

П р и м е р 5. По известной осциллограмме тока (рис. 4.10) определить тем­ пературу перехода тиристора ТЛ171-250 прн амплитуде импульса тока 4000 А и предшествующей перегрузке температуре, равной 70 °С.

для нескольких ш значение тока, соответствующие им значения напряжения (во II квадранте) и их произведения (мгновенные значения мощности). Результаты

Учитывая масштаб по времени (1 мс —3 мм), находим длительность экви­ валентного прямоугольного импульса мощности

1020

= 5,24 мс,

65-3 что соответствует ширине 5,24-3 = 15,7 мм.

Определив переходное тепловое сопротивление тиристора ТЛ171-250 дня времени 5,24 мс (см. рис. 12.11, в)

Z m ,„ as 0,005 “С/Вт, находим температуру перехода

Tj = 70 + 2 6 -103 • 5 • 10" J = 200 “С.

П р и м е р 6. Тиристор Т161-200 работает в трехфазной мостовой схеме вы­ прямления с углом проводимости 120°. График нагрузки приведен на рис. 4.11.

71

Определить температуру перехода тиристора в момент времени ц . Температу­

Более подробно вопросы анализа и расчета тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов рассмотрены в специальной литературе [7, 18, 19].

В некоторых случаях при оценке возможности работы мощных ти­ ристоров необходимо учитывать воздействие таких факторов, как большие скорости нарастания напряжения и тока. Эти вопросы под­ робно освещены в [20].

4.4.РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ ПЕРЕГРУЗОК ПО ТОКУ

Впроцессе эксплуатации полупроводниковых приборов в схемах преобразователей электрической энергии они могут подвергаться пере­ грузкам по току вследствие возникновения аварийных режимов. При этом полупроводниковый прибор, как правило, является наиболее слабым элементом цепи токовой перегрузки вследствие сравнительно низких значений максимально допустимой рабочей температуры.

Критериями оценки работоспособности полупроводниковых при­ боров при токовых перегрузках являются перегрузочные характеристи­ ки. В зависимости от вида перегрузок, которые должны выдерживать приборы при условии сохранения работоспособности, используются следующие параметры перегрузочной способности:

рабочие перегрузочные характеристики;

аварийные перегрузочные характеристики; ударный неповторяющийся ток; защитный показатель.

72

Рабочие перегрузочные характеристики используются в случае, ес­ ли при возникновении перегрузки диод должен выдерживать обратное напряжение, а тиристор, кроме того, не должен переключаться при от­ сутствии управляющего сигнала, т. е. при рабочих перегрузках не дол­ жна превышаться максимально допустимая температура перехода.

Аварийные перегрузочные характеристики применяются в случае возникновения аварийных режимов, при которых тиристор теряет управляющую способность вследствие превышения максимально допу­ стимой температуры перехода, ио не пробивается при приложении обратного напряжения.

Ударный неповторяющийся ток и защитный показатель —пара­ метры, при превышении которых прибор выходит из строя вследствие прожога выпрямительного элемента. При использовании этих показа­ телей нужно учитывать, что напряжение при их воздействии не при­ кладывается. Защитный показатель J i2dt обычно рассчитывают исходя из значения ударного неповторяющегося тока, как | i2 dt = 0,05

и применяют при защите преобразователя с помощью плавких пре­ дохранителей.

Исходными данными для расчета рабочих перегрузочных харак­ теристик являются тип прибора, тип охладителя, температура ох­ лаждающей среды, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока.

Вначале определяется максимально допустимый средний ток по одному из отношений (3.3а) —(З.Зв). Затем для выбранных значений тока предварительной нагрузки (обычно они выбираются при х = 0 ; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 значения максимально допустимого среднего тока) рас­ считается мощность потерь1:

/ Г(х)= 0 и Рг(х) = 0 для х = 0 ;

1т{х) - XITAVUI', Рт(х) —UT(TO)IТ(х) + к$гт12т(х) Для х > 0, (4.20)

где UJ-(TO) и гт ~ пороговое напряжение и дифференциальное сопро­ тивление для данного типа прибора.

Далее рассчитываются значения температуры перехода, соответ­ ствующие длительному протеканию тока предварительной нагрузки,

(4.21)

где Т„, R,hJa - температура охлаждающей среды и тепловое сопроти­ вление переход - среда, найденное из формулы (3.15).

По формулам табл. 4.2 определяются допустимые амплитудные значения тока рабочей перегрузки.

1 Приведены обозначения для тиристоров.

73

Перегрузочные характеристики строятся в координатах ток (ось ординат) —время (ось абсцисс), причем время откладывается в лога­ рифмическом масштабе.

-Определяем из справочных данных значения параметров тиристоров

времени 20 мс;

Zt - переходное тепловое сопротивление переход - корпус, соответствующее времени т;

кс —коэффициент скважности импульсов тока (кс = 20/6 = 3,5);

Zx —переходные тепловые сопротивления за время х = 0,1; 1; 10; 100 с.

74

По формуле (3.26) находим максимально допустимый средний ток в от­

75

и Т . д.

Аналогично рассчитываются значения допустимой амплитуды тока пере­ грузки для других длительностей перегрузки. Результаты расчета сведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Допустимая амплитуда тока перегрузки, А, при

Длительность предварительной нагрузке (относительно IjAYm) перегрузки, с

Рис. 4.12. Зависимости максимально допустимой амплитуды тока рабочей перегрузки от длительности перегруз­ ки (к примеру 7)

Семейство полученных характеристик приведено на рис. 4.12. Кривые схо­ дятся в точке, соответствующей амплитудному значению допустимого среднего тока в открытом состоянии 1ТА^ к = 93 • 3,14 = 292 А.

4.5. ГРУППОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРИБОРОВ

Во многих случаях в преобразователях большой мощности прихо­ дится использовать групповое соединение силовых полупроводни­ ковых приборов. Последовательное и параллельное соединение прибо­ ров иногда используются также для повышения надежности преобразо­ вателей, в которых выход из строя отдельного прибора не должен вызывать нарушения работы всей установки.

76

Различие вольт-амперных характеристик приборов, соединенных в группу последовательно или параллельно, приводит к тому, что от­ дельные приборы будут перегружаться по току (при параллельном со­ единении) или по напряжению (при последовательном соединении). Это иллюстрируется рис. 4.13.

Рис. 4.13. К пояснению неравномерности распределения нагрузки при групповом соединении нриборов:

а —параллельное соединение; б —последовательное соединение

При параллельном соединении приборов 1 и 2 (рис. 4.13,а) через прибор, имеющий прямую вольт-амперную характеристику 1, будет протекать ток который значительно больше тока i2, протекающего через прибор, имеющий вольт-амперную характеристику 2 при пря­ мом напряжении на обоих приборах, равном up.

Вслучае последовательного соединения приборов 1 и 2 (рис. 4.13, б) через оба прибора при приложении обратного напряжения UR протекает один и тот же обратный ток I'R , но напряжение между ними поделится неодинаково (URJ > UR2).

Веще более тяжелых условиях оказываются параллельно или по­

следовательно соединенные тиристоры. В динамических режимах к ти­ ристору с меньшим временем восстановления запирающей способно­ сти в цепочке последовательно соединенных приборов будет при­ кладываться напряжение всей цепи, вследствие чего может происхо­ дить его самопроизвольное включение или пробой структуры. При параллельном соединении возникает другая опасность. Тиристор, имеющий наименьшее время включения, будет воспринимать на себя весь ток главной цепи, что также может вызвать выход прибора из строя.

Поэтому групповое соединение приборов, как правило, требует применения специальных устройств для обеспечения равномерного де­ ления напряжения или тока между отдельными приборами.

77

а —замкнутая цепь; б —схема ■с задающим диодом; в —схема е общим витком

а) Параллельное соединение. Наиболее распространенным спосо­ бом выравнивания токов между параллельно соединенными прибора­ ми является применение индуктивных делителей тока.

Обычно индуктивный делитель тока выполняется в виде торои­ дального витого магнитопровода, сквозь окно которого пропущены токоведущие шины таким образом, чтобы МДС, создаваемые то­ ками, протекающими в этих шинах, действовали навстречу друг другу.

Существует несколько способов включения индуктивных делите­ лей тока. Нашли применение следующие способы; замкнутая цепь, схе­ ма с задающим диодом и схема с общим витком. Эти схемы приведены на рис. 4.14.

Эффективность делителей тока определяется в основном сечением магнитопровода (имеются в виду одновитковые делители). Для выбора оптимальных размеров [15] рекомендуется рассчитывать сечение, м2, магнитопровода делителя тока по формуле

АСгмН,/„

(4.22)

4m2/w (B j — В0)Д /

где AUFM —разбаланс прямого напряжения (напряжения в открытом состоянии), В; Вд —остаточная индукция стали магнитопровода, Тл; Bt - индукция, Тл, соответствующая напряженности Ht ; AI —допус­ тимый разбаланс тока в параллельных ветвях (в средних значениях), А; /и —средняя длина магнитной линии стали магнитопровода, м; / —ча­ стота импульсов тока, Гц; т —скважность импульсов тока; w —число витков токоведущих проводов.

Значение Н1 можно найти по кривой намагничивания, взяв точку на начальном участке области насыщения. Минимальная длина маг­

78

Наименьшие габариты делителей получаются при следующих условиях:

а) подборе приборов с минимальным разбросом по прямому па­ дению напряжения;

б) уменьшении средней длины магнитной линии; в) увеличении числа рабочих витков; г) увеличении допустимого разбаланса токов; д) увеличении отношения (В, —В0)/Н,.

Последнее достигается либо введением воздушного зазора, либо применением постоянного подмагничивания. Воздушный зазор увели­ чивает длину прямолинейного участка кривой намагничивания и со­ ответственно Bj —В0, а постоянное подмагничивание смещает рабочий участок в область отрицательной индукции, что эквивалентно преды­ дущему. Подобные решения могут иметь место при конструировании делителей для работы на малых частотах (менее 50 Гц).

В подавляющем большинстве случаев применяют одновитковые делители, удобные в конструктивном отношении. Для изготовления такого' делителя магнитопровод с пропущенными в его окно двумя то­ коведущими шинами заливается эпоксидным компаундом, так чтобы остались неизолированными концы шин для подключения в схему.

Расчет индуктивных делителей тока для параллельного соедине­ ния управляемых приборов должен учитывать возможный разброс по времени включения отдельных приборов, обусловливающий дополни­ тельный ток разбаланса, который возрастает с увеличением разброса углов управления.

Что касается выбора способа включения индуктивных делителей тока, то при числе параллельных приборов менее шести целесообразно применять «замкнутую цепь» (рис. 4.14, о), так как при этом обеспечи­ вается минимальный разбаланс токов. Если число параллельно вклю­ ченных приборов больше шести, то рекомендуется применять схему «с задающим диодом» или «с общим витком», что определяется возмож­ ностями конструктивной компоновки вентильного блока.

б) Последовательное соединение. При последовательном соедине­ нии на приборах с меньшим обратным током или током в закрытом состоянии падает большая часть напряжения. При этом наибольший разбаланс напряжений получается в том случае, если один прибор имеет наименьший обратный ток, а все остальные - наибольший [7]. С целью выравнивания напряжения на отдельных приборах параллель­ но каждому из них включается шунтирующий резистор Яш, сопроти­ вление, Ом, которого может быть взято из расчета

( « - 1 )/*■

где п —число последовательно включенных приборов; U —наиболь­ шее допустимое напряжение прибора, В; Um—наибольшее напряжение

79

Мощность шунтирующих резисторов Рш, Вт, может быть рассчи­

Для выравнивания напряжения на последовательно включенных управляемых приборах в переходных режимах параллельно этим при­ борам включаются конденсаторы, емкость, мкФ, которых ориентиро­ вочно определяется по формуле

Дб„ —наибольшая возможная разность зарядов восстановления по­ следовательно включенных приборов, Кл; U —наибольшее допусти­ мое напряжение на приборе, В; Ек —наибольшее напряжение, при­ кладываемое к цепи последовательно включенных приборов, В.

Параллельно включенные конденсаторы, эффективно выравнивая напряжение на приборах в переходных режимах, вместе с тем увеличи­ вают ток в открытом состоянии на интервале отпирания. Эти токи можно ограничить демпфирующими резисторами, включенными по­ следовательно с конденсаторами. Сопротивления этих резисторов дол­ жны быть как можно меньшими. Обычно они выбираются порядка не­ скольких десятков ом.

Для ограничения скорости нарастания напряжения в закрытом со­ стоянии, которая может вызвать самопроизвольное включение управ­ ляемого прибора, параллельно демпфирующим резисторам вклю­ чаются диоды, которые должны иметь возможно меньшее время восстановления запирающих свойств в обратном направлении.

Схема цепочек выравнивания напряжения на последовательно со­ единенных тиристорах приведена на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Схема включения ЛС-цепочек для ограничения перенапряжений

Рис. 4.16. Схемы для ограничении пере­ напряжений

80