тока и прямая характеристика (характеристика открытого состояния) прибора. Порядок расчета (см. пример 5, § 4.3) следующий:

1. На масштабной бумаге вычерчивается система координат, по осям которой откладываются:

+ X - длительность импульса тока в градусах; + у - мгновенные значения тока в килоамперах;

- X - прямое напряжение (напряжение в открытом состоянии) в вольтах;

- у - мощность потерь в киловаттах.

2. В I квадранте наносится ряд мгновенных значений тока в соответствии с осциллограммой с учетом масштаба и вычерчивается вся кривая тока.

3. Во П квадранте строится прямая характеристика (характеристика открытого состояния). Обычно эта характеристика берется из информационного материала на данный тип прибора.

4. При нескольких значениях тока определяются мгновенные значения тока (1 квадрант) и соответствующие им значения прямого напряжения (напряжения в открытом состоянии) (II квадрант). Произведение значений Mf (мт) и гХг'т) дает ряд значений мощности Pf (Рт), по которым в IV квадранте строится кривая мощности.

5. Определяется площадь полученного импульса, деление которого на амплитуду импульса мощности дает длительность эквивалентного прямоугольного импульса мощности.

4.2. РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

НАГРУЗКИ

Здесь приводятся расчетные соотношения для температуры перехода и допустимой нагрузки при различных режимах работы полупроводниковых приборов. Температура перехода определяется по известной мощности потерь Рт и характеру нагрузки (перегрузки), а допустимая токовая нагрузка рассчитывается исходя из максимально допустимой температуры перехода Tj. При этом в обозначениях приняты упрощения в соответствии с (4.3) и, кроме того, длительность перегрузки обозначена tn-

а) Непрерывная установившаяся нагрузка (рис. 4.4). Температура перехода в установившемся режиме

Tj = T + PtRj. (4.5)

Допустимая мощность потерь

Т, -

Ртп,= \ °. (4.6)

б) Однократный импульс нагрузки (рис. 4.5). Температура перехода в момент времени fj

Тп=Т„ + Рт2,. (4.7)

3 О. Г. Чебовский и др. 65

Рис. 4.4. Мощность нотерь и температура перехода прн постоянной продолжительной нагрузке

Рнс. 4.5. Мощность потерь н изменение температуры перехода при прохождении одиночного импульса мощности

а в момент времени

Допустимая мощность потерь

(4.8)

(4.9)

в) Серия коротких импульсов (рис. 4.6). Температура перехода в момент времени tj рассчитывается по формуле (4.7). В момент времени tj

= Т„ + PtAZ,.o - 2з-,) + Pt2Z,.2- (4.10)

В момент времени

Т = Т„ + PtAZs-o - Z5-1) + Pt2(Zs-2 - Z5-3) + Pt,Z,.,. (4.11)

В случае Р^-Рт2 = Ртз =

Т^з = Т„ + Pt(Z,., - + - Z5.3 + Z5.,). (4.12)

г) Длинная серия импульсов (рис. 4.7). Температура перехода в конце импульсов мощности с одинаковой амплитудой

Tj = т, + Рт[-р- + (i - y) г- Zr+ Z,

(413)

Допустимая амплитуда импульса мощности

Ртш = -

Т. -Т

(4.14)

-И

to t, t2 *з tf ts i *

Рис. 4.6. Мощность потерь и изменение температуры перехода при неустановившейся импульсной нагрузке

Рис. 4.7. Мощность потерь и изменение температуры перехода при длительной импульсной нагрузке

д) Неимпульсная перегрузка, следующая за непрерывной работой (рис. 4.8). Температура перехода в конце перегрузки

Т, = Т^ + PtRt+ {Рпоу}-Рт) Z, . (4.15)

Допустимая мощность потерь при перегрузке

Tj-T-PjRt

Рт{ОУ)т=

(4.16)

е) Импульсная перегрузка, следующая за непрерывной работой (рис. 4.9). Температура перехода в конце перегрузки

= Т„ + PtRt + Ртт) \( + -ifi]z,n + f 1 - Vr+ - .

L\ Т Ptiov)/ \ TJ

(ov)

(4.17)

Pt(ov)

t tj

Pmc. 4.8. Мощность потерь и изменение температуры перехода при длительной нагрузке с последующей постоянной перегрузкой

Рис. 4.9. Мощность потерь н изменение температуры перехода при длительной нагрузке с последующей импульсной перегрузкой

Допустимая пиковая мощность потерь при перегрузке

Рт(ОУ)т=- (4.18)

(Z,n + Zr+t) + Zr+t - Zt+ Z,

Выражения (4.17) и (4.18) используются при числе импульсов перегрузки более пяти.

4.3. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО ТОКА НАГРУЗКИ

Общие выражения для расчета предельного тока были приведены ранее в § 3.4. Выражения (3.1) -(3.3) используются для определения максимально допустимого среднего тока. В большинстве же случаев токовая нагрузка силовых полупроводниковых приборов является импульсной, так что в течение одного периода, особенно при больших амплитудных значениях тока и малых углах проводимости, температура перехода колеблется в больших пределах, и расчет по среднему значению тока может привести к большим погрешностям. В этих случаях рассчитывается не среднее значение тока, а его амплитуда. Практика подобных расчетов показьшает, что при работе приборов в наиболее распространенных схемах преобразователей электрической энергии с небольшими углами управления и при среднем значении тока, ие превышающем двукратного максимально допустимого, превышение максимума температуры перехода над средним значением составляет 5 - 7 °С. В этих случаях могут быть применены уравнения (3.3а) - (З.Зв). Для определения максимально допустимого амплитудного значения тока эти уравнения получают вид:

Wm= f - °; (4.19а)

TAVMm-

(4.196)

J - Т(ТО) + ГтРтм - tTfTO) м ,q .

TRUSm- - -;-> (4.1УВ)

где Pj-M рассчитывается по формуле (4.14).

Пример 1. Определить максимально допустимый средний ток в открытом состоянии тиристора Т171-250, работающего в трехфазной мостовой схеме выпрямления при температуре охлаждающей среды 50 °С. Угол проводимости 120°, охладитель типа 0181-110, скорость охлаждающего воздуха б м/с.

Из справочных данных С/г(ГО) = *Д В; гг=0,83 мОм; = 0,1 °С/Вт; Rthch = 0,03 °С/Вт; Кфса = 0,23 °С/Вт; Tjm = 125 °С; <Сф = 1,73 (для данной схемы выпрямления).

По формуле (3.15)

= 0,1 + 0,03 + 0.23 = 0,36 -С/Вт;

+ 4. 1,73. 83 . 10- lLJl 1,1 V 0,36

--2.1,73.83.10--= 40 А.

Пример 2. Для условий предыдущего примера определить максимально допустимый средний ток при повторно-кратковременном режиме: 10 с - включено, 5 с - выключено (т = 10 с; Г = 15 с).

Расчет допустимой мощности потерь проводим по формуле (4 14)

Z, = R.b,. + + Z . = 0,1 + 0,03 + 0,03 = 0,16 С/Вт,

0,17 С/Вт; Zj.= 0,18°C/Bt, Rt= к + + .ш = 0.1 + 0,03 + 0,23 = 0,36 -С/Вт; 125 - 50

, =----= 260 Вт.

10 / 10\

-0,36 + ll - - 10,18-0,17 + 0,16

Выразив из формулы (3 76) ток через мощность, найдем

I УУт[ТО) + %-тР-т - tr(TO) l/i.i -1-4. 1,73 . 83-10- 260- 1,1 2k\rj. 2-1,732.83-10- =

= 170 А.

Пример 3 Тиристор ТЛ171-320 работает в однофазной однополупериод-ной схеме выпрямления. Ток нагрузки Ijy= 150 А, угол проводимости 90°. Охлаждение воздушное принудительное, охладитель 0181-110, скорость воздуха 6 м/с, температура охлаждающей среды 30 °С. Определить, через какой промежуток времени тиристор должен быть отключен при возникновении 2,5-кратиой перегрузки по току.

Из формулы (4.15) определяем допустимое значение

г (OK)

PTinv\ - Pi

Для ТЛ171-320 имеем [/(го) = 0,9 В; rj=ll - IQ- Ом, К,а,с = 0,685 С/Вт; Rthch = 0,05 С/Вт; = 0,23 °С/Вт; Ц = 2,22; Г, , = 140 °С; = 0,365 °С/Вт.

По формуле (3.76) получим

Pj,= 0,9 150+ 2,22.72 10- 150 =215 Вт;

(0V) *2 150) + 2,22 72 10- (2,5 150) = 840 Вт.

Тогда

140-30-215.0.365 п 840-215

По графику рис. 12.11, 6 находим время t 1 с, в течение которого может продолжаться перегрузка при достижении температуры Т^ .

П р и м е р 4. Определить допустимую амплитуду тока перегрузки тиристора Т161-160, работающего в однофазной однополупернодной схеме выпрямле-

ния с углом проводимости 180° на частоте 50 Гц, если устройство защиты срабатывает через 200 мс после момента возникновения перегрузки; тиристор смонтирован на охладителе 0171-80, скорость охлаждающего воздуха 12 м/с, температура 35 °С. Предварительно тиристор Загружен током 100 А.

Для тиристора Т161-160 [/ = 1,15 В; г = 14.10 * Ом; Л^, = = 0,15°С/Вт; Т^ = 125 °С; Л„ = О.бУХ/Вт; за время 200 мс Z, ,j, = 0,08 °С/Вт. Для охладителя 0171-80 Лщ, = 0,28 °С/Вт прн 12 м/с.

Принимая длительность эквивалентного прямоугольного импульса мощности равной 5,7 мс, находим

Z, = 0,02°C/Bt; Z=0,03°C/Bt; Z = 0,033 °С/Вт.

По формуле (4.18) находим

125 - 35 - 150(0,48 - 0,08)

T(OV)m 5J

= 820 Вт.

(0,08 - 0,033) + 0,033 - 0,03 + 0,02

-у

Рис. 4.10. Графоаналитические метод расчета (к примеру 5)

Мощность потерь Рт-найяена по формуле (3.76), значение R,.- по формуле (3.15).

Допустимую амплитуду тока перегрузки определяем по формуле (4.196)

1/1,15 +4-14 1О-*-820 - 1,15 1Г.УШ = --А.

Пример 5. По известной осциллограмме тока (рис. 4.10) определить температуру перехода тиристора ТЛ171.250 прн амплитуде импульса тока 4000 А и предшествующей перегрузке температуре, равной 70 °С.

Масштабы по току 100 А/мм, по фазе 67мм, по напряжению 0,2 В/мм, по мощности 1000 Вт/мм.

Строим в I квадранте рис. 4 10 кривую тока перегрузки в соответствии с осциллограммой и выбранным масштабом по току. Во II квадранте наносим ряд точек вольт-амперной характеристики по рис. 12 2 при 140 °С. Определяем для нескольких Ш значение тока, соответствующие им значения напряжения (во II квадранте) и их произведения (мгновенные значения мощности). Результаты определения сводим в табл. 4 1.

Табтца 4.1

Строим в IV квадранте кривую мощности и определяем ограниченную ею площадь; S = 1020 мм.

Высоту эквивалентного прямоугольного ипмульса мощности принимаем равной высоте реального: ft = 65 мм при Р^ = 26 кВт.

Учитывая масштаб по времени (1 мс-3 мм), находим длительность эквивалентного прямоугольного импульса мощности

S 1 1020

т =--=-= 5,24 мс,

ft 3 65-3

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

Определив переходное тепловое сопротивление тнрнстора ТЛ171-250 для

времени 5,24 мс (см. рис. 12.11, а)

Zf ,x 0,005 С/Вт, находим температуру перехода

= 70 -Ь 26-10-5-10 = 200°С.

Пример 6. Тиристор Т161-200 работает в трехфазной мостовой схеме выпрямления с углом проводимости 120°. График нагрузки приведен на рис. 4.11.

Ztav

Рис. 4.U. График токовой нагрузки (к примеру 6)

*1 *2 *3 *4

t 71

Определить температуру перехода тиристора в момент времени ц. Температура охлаждающей среды 20 С, охладитель 0181-110, скорость охлаждающего воздуха 6 м/с. На рис. 4.11 / = 40 А; Jj. = 100 А; Jj. = 120 А; (, = 5 мин; = = 7 мин; 3 = 10 мин; = 12 мин.

Из справочных данных находим /[ф = 1,73; £/7-(го) = 1,15 В; rf = = 100-10-* Ом; R,H,c = 0,1 °С/Вт; = 0,05 °С/Вт.

Мощность потерь в открытом состоянии [по формуле (3.76)] Pj., = 1,15-40+ 1,73-10- 40=51 Вт; Pj.2 = 1,15-100-f 1,73-10--100 = 145 Вт; Pj.3=l,15 120-f 1,73-10--120 = 181 Вт.

ГГо формуле (4.11)

Tj=T + Рт1 (z4 o - z4 i) -f Рг2(24-2 - Z4-3) + РГ324-3-Для охладителя 0181-110 (см. рис. 19.6, а) имеем Zio-Z4., = Z7 = 0.17°C/Bt; ZI2 - Z4-3 = Zjmhh = 0,13 °С/Вт; П-3 = 22м„ = 0,11°С/Вт.

С учетом тепловых сопротивлений Я и R по формуле, приведенной в примере 2, получим

Tj = 20-f 51-0,32 -f 145-0,28 -f 181-0,26= 123 °C.

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 тиристоров необходимо учитывать воздействие таких факторов, как больщие скорости нарастания напряжения и тока. Эти вопросы подробно освещены в [20].

4.4. РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ ПЕРЕГРУЗОК ПО ТОКУ

В процессе эксплуатации полупроводниковых приборов в схемах преобразователей электрической энергии они могут подвергаться перегрузкам 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 приборов при токовых перегрузках являются перегрузочные характеристики. 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.

Рабочие перегрузочные характеристики используются в случае, если при возникновении перегрузки диод должен выдерживать обратное напряжение, а тиристор, кроме того, не должен переключаться при отсутствии управляющего сигнала, т. е. при рабочих перегрузках не должна превышаться максимально допустимая температура перехода.

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

Ударный неповторяющийся ток и защитный показатеть - параметры, при превышении которых прибор выходит из строя вследствие прожога выпрямительного элемента. При использовании этих показателей нужно учитывать, что напряжение при их воздействии не прикладывается. Защитный показатель jidt обычно рассчитывают исходя из значения ударного неповторяющегося тока, как J dt = 0,05 / j-sm, и применяют при защите преобразователя с помощью плавких предохранителей.

Исходными данными для расчета рабочих перегрузочных характеристик являются тип прибора, тип охладителя, температура охлаждающей 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 ток&) рассчитается мощность потерь:

/7-(,)=0 и Рг(х) = 0 для х = 0;

1т{х) = xlTAVn,; Рпх) = Ut(TO)Jt{x) + ф'-Г^ГСх) ДЛЯ X > О, (4.20)

где Uj-(TO) и rj- - пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление для данного типа прибора.

Далее рассчитываются значения температуры перехода, соответствующие длительному протеканию тока предварительной нагрузки,

Tj(x) = т„: J 21)

где Г„, К, у„ - температура охлаждающей среды и тепловое сопротивление переход - среда, найденное из формулы (3.15).

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

Приведены обозначения для тиристоров.

Перегрузочные характеристики строятся в координатах ток (ось ординат) - время (ось абсцисс), причем время откладывается в логарифмическом масштабе.

Пример 7. Рассчитать семейство рабочих перегрузочных характеристик тиристора Т161-125, работающего с охладителем OI7I-80 при скорости охлаждающего воздуха 3 м/с и температуре воздуха 25 °С.

Определяем из справочных данных значения параметров тиристоров Т161-125, входящих в расчетные формулы табл. 4.2: С .= 1,15 В; г = = 22-Ю- Ом; Я,, = 0,15 С/Вт; Л, , = 0,05 С/Вт; Z, i 0;б2 =С/Вт; Z= = 0,032°С/Вт; Z, = 0,034°С/Вт; Z = 0,06 С/Вт; Z = 0,11 С/Вт.

Соответственно из справочных данных для охладителя 0171-80

= °= 1ос = 004°С/Вт; = 0,45 С/Вт.

С учетом тепловых сопротивлений Я , и Л , получим Z,o, = 0,24 С/Вт; R j, = 0,65 °С/Вт.

Таблица 4.2

Длительность перегрузки

Допустимая амплитуда тока перегрузки tF(OV)(h(OVj)

10 мс

0,1-100 с

-2=-5l+Pj. t;

7-(ГО)

Примечание. 7у„, - максимально допустимая температура перехода; Tj - одно из значений температуры перехода, рассчитанных по формулам (4.21);

Pj - одно из значений мощности потерь, рассчитанных по формулам (4.20);

Zf - переходное тепловое сопротивление за время, соответствующее эквивалентному прямоугольному импульсу мощности {1x6 мс); Zj - переходное тепловое сопротивление переход - корпус, соответствующее времени 20 мс;

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

kz - коэффициент скважности импульсов тока (с = 20/6 = 3,5);

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