ния имеют вид: для диода

I Т

(3 2а)

для тиристоров и симметричных тиристоров при односторонней проводимости

TAVm=-

и

г (ГО)

4,9rj-

(3 26)

максимально допустимый действующий ток для симметричных тиристоров при двусторонней проводимости

TRMS =

2,22гт

(3 2в)

где Г„ - температура охлаждающей среды, °С; R,j = R,j, + R,, + + Кщ - тепловое сопротивление переход - среда, °С/Вт; /{(/ус - тепловое сопротивление переход -корпус; - тепловое сопротивление корпус - контактная поверхность охладителя; tkha ~ тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя - 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 указанием интенсивности охлаждения.

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

для диода

(3.3a)

для тиристора и симметричного тиристора при односторонней проводимости

Г.. - Г„

-и

TAVm =

г (ГО)

(3.36) 45

Рис. 3.11. Завнснмостя коэффициента формы от угла управления для схем выпрямления :

/ - однофазной однополупериодной и однофазной мостовой, -трехфазной с нулевой точкой. Я/- трехфазной мостовой, Л--шес-тифазной, а - угол управления, р - угол проводимости

О 20 НО 60 80 100 120 ПО 160° а

для симметричного тиристора при двусторонней проводимости

(3.3в)

Itrms -

У'т(Т0)+ 4кр-т\-! - С/г(ГО)

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

В отдельных случаях при обеспечении хорошего охлаждения прибор может нагружаться током, значение которого выше максимально допустимого, оговоренного для заданных условий охлаждения. При этом не должно превышаться регламентируемое значение максимально допустимого действующего прямого тока (тока в открытом состоянии), 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 допустимый действующий ток одинаков и равен наибольшему из расчетных значений по максимально допустимому среднему току. Необходимость этого параметра обусловлена тем, что при больших действующих значениях тока прибор может выйти из строя не вследствие потери запирающей способности прибора, а из-за разрушения отдельных элементов конструкции (виутреиний и внешний гибкие выводы и др.).

с возрастанием частоты следования через прибор импульсов тока cpeд^яя 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-

Jfm(tm)

Рис. 3.12. Зависимость донустнмов амвлнтуды импульсов тока Ifif (Inf) от длительности импульсов i, и частоты / /i < /2 < /з < /4 Масштаб по осям

логарифмический

Рис. 3.13. Зависимость допустимой суммарной энергии потерь за одни импульс Е от его длительности г,; £[ > £2 > 3 > 4 Масштаб по осям логарифмический

но учитывать потери в цепи управления и потери при включении. С целью облегчения количественной оценки этих потерь в справочных данных на бьктровосстанавливающиеся диоды и быстродействующие тиристоры приводятся зависимости допустимой амплитуды импульсов тока от длительности импульса и частоты, а также зависимости допустимой суммарной энергии потерь за импульс от его длительности. По первым характеристикам можно без расчетов определить допустимость нагрузки прибора импульсами тока определенной амплитуды и длительности, следующими с заданной частотой, если известна или задана температура корпуса прибора. Характеристики приводятся в логарифмическом масштабе (рис. 3.12) для конкретного типа прибора. При известной длительности импульсов тока Г,;, следующих с частотой /2, допустимая амплитуда тока определяется в соответствии с рис. 3.12 и равна IpMi ihni)-

Второй вид зависимостей в общем виде приведен иа рис. 3.13. Чтобы определить среднюю мощность потерь, зная амплитуду импульсов тока IpMi (Itmi) и их длительность нужно найти по графику значение энергии одного импульса (точка А) и затем умножить его иа частоту повторения импульсов.

Необходимо иметь в виду, что нагрузочная способность тиристора на частотах, отличающихся от 50 7, Гц, будет уменьшаться. В общем виде такая характеристика приведена на рис. 3.14. При возрастании частоты снижение нагрузки проис-

Рис. 3.14. Частотиаи силового полунроводшш

характернстика сового прибора

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

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

3.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРОДА

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

Измерение отпирающих тока и напряжения управления производится при напряжении в закрытом состоянии, равном 12 В. При плавном повышении прямого напряжения иа управляющем электроде отмечается момент резкого снижения напряжения в закрытом состоянии, что означает включение прибора. Измеренные в этот момент напряжения и ток управления фиксируются как отпирающие значения (Uct,

В диапазоне рабочих температур (от максимально до минимально допустимого значения) отпирающие ток и напряжение изменяются, уменьшаясь при возрастании температуры. Для определения зон гарантированного отпирания приборов конкретного типа снимаются зависимости тока через управляющий электрод от прямого напряжения управления (входные характеристики) для приборов с максимальным сопротивлением цепи управляющего электрода {Rcni при максимально допустимой температуре приборов и с минимальным входным сопротивлением (Rcmin) при минимально допустимой температуре (рис. 3.15). Зоны гарантированного включения ограничиваются этими входными характеристиками и наибольшими для данного типа тиристоров значениями отпирающих тока и напряжения при минимально и максимально допустимых температурах (Т„т, , TJ, а также при нормальной (комнатной) температуре Г„ = 20 + 5 °С, при которой регламентируются нормируемые значения С/сги /сг конкретного типа тиристоров. На

этой диаграмме указывается также значение неотпирающего напряжения управления Ugp при максимально допустимой температуре перехода.

а

Рнс. 3.15. Зоны гарантированного включения тиристоров:

СГ. - отпирающие ток и напряжение управления, Тат>Та> Гд

Рассмотренные диаграммы приводятся в справочных данных для постоянного напряжения на управляющем электроде. В большинстве случаев в преобразователях используется управление импульсами, причем управляющие импульсы могут иметь длительность несколько микросекунд. При этом для включения тиристора требуется больший ток через управляющий электрод, чем значение отпирающего тока управления 1ст- На рис. 3.16 приведены зависимости относительного значения отпирающего импульсного прямого тока управления 1рсм от длительности управляющего импульса tc.

Процесс отпирания тиристора происходит тем быстрее, чем с большей скоростью нарастает ток управления. При малой скорости нарастания тока управления из-за ограничения скорости распространения включенной зоны при фиксированной скорости нарастания анодного тока возникают участки с большой плотностью выделяемой мощности, что может привести к пробою полупроводниковой структуры. Поэтому значения таких параметров, как критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии и время включения, регламентированы 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 ограничено до значения, при котором мощность, выделяемая в управляющем р-п переходе, не приводит к его пробою. Для оценки допустимых значений этой мощности в справочных данных предприятий-изготовителей полупроводниковых приборов приводятся диаграммы, общий вид которых показан на рис. 3.17. При управлении постоянным током кривая допустимой мощности проходит через точку В, характеризующую верхний предел мощности. Каждая точка этой кривой соответствует значениям тока и напряжения управления, превышающим значения отпирающих напряжения и тока управления при минимально допустимой температуре и, таким образом, обеспечивающим увереи-

Рис. 3.16. Завнсомвсти отнирающего импульсного тока управления 1ром от длительности управляющего импульса Iq

Iqt - отпирающий постоянный ток управления; Tj > Tj > Tj i

Рис. 3.17. Предельные характеристики управляющего электрода

иое включение тиристора. Выше этой кривой лежит кривая допустимой мощности потерь при управлении импульсами длительностью tci. Допустимое значение импульсной мощности в цепи управления в этом случае больше, чем при постоянном токе. Аналогично располагаются кривые допустимых мощностей импульсов управления при tc4 < сз < < tc2 < tci- Мощность PfOMm соответствует минимальной возможной длительности управляющего импульса (10 - 50 мкс) и исчисляется обычно сотнями ватт, тогда как допустимая мощность при постоянном токе составляет единицы ватт.

Диаграмма импульсного управления используется также для определения параметров выходных каскадов схем формирования управляющих импульсов. К таким параметрам относятся напряжение холостого хода Ur и внутреннее сопротивление генератора Кг-

В качестве примера на рис. 3.17 иллюстрируется принцип выбора параметров генератора управляющих импульсов [17] длительностью tc3. Линия нагрузки генератора Rcm ие должна проходить ниже области гарантированной зоны включения тиристора (заштрихованная зона) и может лишь касаться этой области (точка В). С другой стороны, линия нагрузки Romn ие должна проходить выше линии допустимой мощности потерь в цепи управления для данной длительности импульса tc3 (точка С). Таким образом, линией нагрузки может быть линия Kri положение которой иа диаграмме определяет напряжение холостого хода Ur и ток короткого замыкания /, , генератора, численно равные соответственно отрезкам OUj а 01 у Внутреннее сопротивление генератора управляющих импульсов равно 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 значения максимально допустимых импульсных тока и напряжения управления IfCMm и ffCMm. 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, если их произведение для конкретного прибора превышает допустимое значение мощности управления Ррсмт Д-я заданной длительности импульса.

3.6. ХАРА1СГЕРИЗУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ

Во многих случаях в преобразователях на основе силовых полупроводниковых приборов используются быстродействующие схемы за-циты, исключающие воздействие напряжения на элементы схемы после срабатывания (предохранители, сеточная защита, быстродействующие выключатели и др.). Структура полупроводникового прибора при отсутствии на ней напряжения может выдерживать кратковременно воздействие температуры в несколько сот градусов Цельсия и при от-

сутствии вследствие этого механических разрушений остается работоспособной после остывания до рабочей температуры. Для оценки возможности воздействия аварийных токов на полупроводниковый прибор без последующего воздействия напряжения используется значение ударного прямого тока (тока в открытом состоянии). При оценке обеспечения защитных свойств преобразователя необходимо, чтобы приведенное в нормативной документации значение этого параметра было большим, чем расчетное значение ударного тока при коротком замыкании в ветвях, содержащих выбранный полупроводниковый прибор.

При использовании в качестве защитных устройств плавких предохранителей необходимо, чтобы J dt предохранителя был не больше, чем защитный показатель Ji dt полупроводникового прибора. При возникновении аварийных режимов в схемах с защитой с временем срабатывания в несколько периодов наряду с импульсами сверхтока в промежутках между ними к прибору прикладьшается обратное напряжение. В этом случае должна использоваться зависимость максимально допустимой амплитуды тока аварийной перегрузки от ее длительности в интервале от 10 до 200 мс с последующим приложением обратного напряжения, равного 80% повторяющегося импульсного обратного напряжения. Эти зависимости приводятся, как правило, для начальных значений температуры перехода 20 ± 5 °С и максимально допустимой. При выборе защиты необходимо, чтобы эти зависимости лежали выше ампер-секундной характеристики защитного устройства в диапазоне от минимально до максимально возможного времени срабатывания.

Необходимо заметить, что при воздействии вышеуказанных перегрузок допускается превышение температуры перехода над максимально допустимым значением, поэтому перегрузки допускаются ограниченное число раз за время срока службы прибора как результат необычных, например аварийных, режимов работы преобразователей.

Обычно токовая нагрузка силовых полупроводниковых приборов при нормальном режиме работы преобразователя выбирается меньше допустимой, что позволяет повысить надежность, срок службы и обеспечить уверенную работу схемы. При этом температура перехода полупроводниковых приборов ниже максимально допустимого значения, т. е. может быть допущена определенная токовая перегрузка сверх номинальной в течение определенного времени, за которое температура перехода достигнет максимально допустимого значения. Для оценки допустимых перегрузок в этом случае в справочных данных приводятся зависимости максимально допустимой амплитуды тока рабочей перегрузки от длительности при различных предварительных токовых нагрузках. Естественно, если прибор в нормальном режиме преобразователя загружен предельно, то рабочие перегрузки недопустимы.

Рабочие перегрузочные характеристики используются в случаях, когда, например, при работе преобразователя имеют место пусковые режимы (электропривод); кратковременные подключения дополнительных потребителей и др.

Поскольку режимы работы приборов весьма многообразны, невозможно привести какую-либо универсальную характеристику, отве-

чающую всем необходимым требованиям в отношении предварительных условий, видов перегрузки, способов охлаждения и др. В § 4.4 приведены расчетные соотношения, позволяющие рассчитать рабочие перегрузочные характеристики для различных режимов.

3.7. КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ ТОКА В ОТКРЫТОМ СОСТОЯНИИ

Включение управляемого полупроводникового прибора при наличии управляющего сигнала происходит не сразу. Процесс распространения проводящей зоны начинается вблизи управляющего электрода и идет со скоростью 30-100 м/с. При этом на небольшом участке структуры выделяется значительная мощность, что может привести к разогреву этого участка до температуры, превышающей точку плавления кремния (1412 °С), и прибор выйдет из строя. Поэтому каждый прибор характеризует критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии, значение кото-

1т ; TflVm

Рис. 3.18.

К определению

(diTldi) u:

термина

рой не должно превышаться при эксплуатации.

Разбраковка приборов по (diT/dt) it производится путем пропускания через них импульсов тока с амплитудой, равной двойному значению предельного тока, и с заданной скоростью нарастания (рис. 3.18). Крутизна нарастания тока рассчитывается по формуле

dir/dt = ItavJ2T. (3.4)

Ita Vm ~ предельный ток

Прибор считается выдержавшим испытание, если не произошло параметрического отказа.

Определение (dij/dt), связано с риском повреждения прибора. Поэтому, как правило, предприятия-изготовители устанавливают гарантированные значения {dii/dt)i которые равны минимальному значению, полученному в процессе испытаний нескольких партий приборов данного Типа.

3.8. ЭФФЕКТИВНАЯ ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЕРЕХОДА

Электрические параметры силовых полупроводниковых приборов, как правило, зависят от температуры перехода. Если температура превышает определенное значение, то снижается класс прибора, возрастают токи утечки и времена выключения, уменьшается значение критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, снижается помехоустойчивость и др. Поэтому контроль температуры

перехода дает точное представление о возможности работы прибора в заданном режиме.

Ввиду невозможности непосредственного контроля температуры перехода в процессе эксплуатации используются косвенные методы, основанные, как правило, на температурной зависимости какого-либо параметра. Такие методы обычно не дают возможности определить температуру в горячих точках структуры, возникающих на определенных участках площади структуры из-за разброса электрофизических параметров или дефектов конструкции, вызывающих либо разброс по плотности тока, либо неоднородный теплоотвод от отдельных участков перехода. Поэтому измеренная известными методами температура является усредненной (эффективной) температурой перехода. Таким образом, эффективная эквивалентная температура перехода не обязательно является самой высокой температурой полупроводниковой структуры.

Имеются два предельных значения температуры перехода: максимально допустимое и минимально допустимое.

Максимально допустимая температура перехода - это температура, которая не должна превышаться в длительных режимах эксплуатации (при установившемся тепловом режиме).

Минимально допустимая температура перехода определяет предел, ниже которого не допускается не только работа прибора, но и его хранение. Используемые в конструкциях силовых полупроводниковых приборов материалы неоднородны и имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения. Хотя в качестве термокомпенсаторов применяются материалы с температурным коэффициентом расширения, близким к температурному коэффициенту кремния (вольфрам, молибден), тем не менее при низких температурах могут возникать значительные изгибающие усилия, разрушающие кремний. Для отечественных силовых полупроводниковых приборов минимально допустимая температура перехода равна - (50 - 60) °С.

Что же касается верхнего предела максимально допустимой температуры, то он различен для приборов в зависимости от их вида и конструкции. Конкретные значения максимально и минимально допустимых температур приводятся в справочных данных для каждого типа прибора.

Эффективная эквивалентная температура перехода в установившемся тепловом режиме может быть определена с достаточной для инженерных расчетов точностью по следующим формулам:

Tj = T, + P, R,i,j,; (3.5а)

Tj = T + PR,Hj. (3.56)

где Г, - температура корпуса; Т„ - температура охлаждающей среды;

- суммарная мощность потерь; R,i,j - тепловое сопротивление переход - корпус; - тепловое сопротивление переход - среда.

Расчет мощности потерь производится по формулам, приведенным в следующем параграфе.

3.9, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИБОРОВ В СОСТОЯНИИ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Количественная характеристика состояния высокой проводимости диода определяется зависимостью

Uf = Uro) + iff-r, (3-6а)

где Up - прямое напряжение на диоде; U(toj - пороговое напряжение; Г7 = ctg ф - дифференциальное сопротивление (см. рнс. 3.2); ip - мгновенное значение прямого тока.

Соответственно для тиристора в открытом состоянии

иг= /г(го)+7г. (3-66)

На рис. 3.19 приведены прямая характеристика диода (а), характеристики открытого состояния тиристора (б) и симметричного тиристора (в).

Основным параметром, характеризующим состояние высокой проводимости, является импульсное прямое напряжение Uрм для диода и импульсное напряжение в открытом состоянии Vxm ДДЯ тиристора. Измерение этого параметра производится при температуре перехода 20 + 5 °С при 3,14 максимально допустимого среднего тока при заданной температуре корпуса для диодов и тиристоров и при 1,41 значения максимально допустимого действующего тока при заданной температуре корпуса для симметричного тиристора. При этом значение для симметричного тиристора принимается равным большему из значений этого параметра, измеренного в обоих направлениях.

В области рабочих токов характеристика состояния высокой проводимости может быть аппроксимирована прямой линией, проходящей через точки, соответствующие 1,57 и 4,71 предельного тока для диодов и тиристоров и 0,7 и 2,1 предельного тока для симметричного

°) ff\h--

0.7.rTRMSm WrtRMsm

.ITRMStn

Рис. 3.19. Параметры приборов в состоянии высокой проводимости:

Т0< Уд ГО) - пороговое напряжение; ctg9 = = Гг - дифференциальное сопротивление; VptVjfji) - импульсное прямое напряжение (импульсное напряжение в открытом состоянии)