По формуле (3.26) находим максимально допустимый средний ток в открытом состоянии для заданных условий охлаждения

125 - 25

1,15 + 9,8-2210---1,15

0,65

TAVm

f,9 22.10

- = 93 А.

По формуле (3.76) определяем мощность потерь в открытом состоянии прн

(0,2; 0,4; 0,6; 0,8) /

TAVm

РцП2)= 1,15-0,2.94 + 2,46-22.10-*(0,2-94)2 = 24 Вт; Pj-jQ =I,15 0,4-94-f 2,46-22-10 (0,4-94)2 =50 Вт;

г (0,4) г (0,6) г (0,8)

= 1,15 - 0,6 94 -f 2,46 22 10-*(0,6 94) = 82 Вт; 1,15 0,8 94 -I- 2,46 - 22 Ю * (0,8 - 94) = 117 Вт.

По формуле (3 56) определяем предшествующие перегрузке температуры перехода, соответствующие заданным токам предварительной нагрузки,

Г„о, = 25°С; = 25-f 0,65-24 = 41 С;

J(0.4)

= 25-Ю,65-50 = 57°С; Tj,o.6) = 25-1- 0.65-82 = 78-0; r>,o.8) = 25-f 0,65 117 = 101 °С.

Используя формулы табл. 4 2, находим значения допустимой амплитуды тока перегрузки при различной предварительной нагрузке. Для длительности 10 мс

т(ОУ)т

/l.l5 + 4.22..0---U5

2-2210-

1268 А;

/(0,2) noV)m

,(0,6)

Т\ОГ)т

= 1144 А;

1017 А;

821 А;

= 554 А.

Для длительности перегрузки 0,1 с

,(0)

/l,15 + 4.22 . 10-- оТОб . 0,3 + 0,7аОЗЛ 0,032TW

2-22-10-

= 997 А;

2-2210-

:905А.

и т. д.

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

Таблица 4.3

1200

Рис, 4,12. Зависимости максимально допустимой амплитуды тока рабочей перегрузки от длительности перегрузки (к примеру 7)

Семейство полученных характеристик приведено на рис. 4.12. Кривые сходятся в точке, соответствующей амплитудному значению допустимого среднего тока в открытом состоянии Ij-yiyi n = 93 3,14 = 292 А.

4.5. ГРУППОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРИБОРОВ

Во многих случаях в преобразователях большой мощности приходится использовать групповое соединение силовых полупроводниковых приборов. Последовательное и параллельное соединение приборов иногда используются также для повышения надежности преобразователей, в которых выход из строя отдельного прибора не должен вызывать нарушения работы всей установки.

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

7 Ч -И

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

а - параллельное соединение; б - последовательное соединение

При параллельном соединении приборов / и 2 (рис. 4.13, я) через прибор, имеющий прямую вольт-амперную характеристику /, будет протекать ток i который значительно больше тока i, протекающего через прибор, имеющий вольт-амперную характеристику 2 при прямом напряжении на обоих приборах, равном up.

В случае 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 ir, но напряжение между ними поделится неодинаково (uri > uri).

В еще более тяжелых условиях оказываются параллельно или последовательно соединенные тиристоры. В динамических режимах к тиристору с меньшим временем восстановления запирающей способности в цепочке последовательно соединенных приборов будет прикладываться напряжение всей цепи, вследствие чего может происходить 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 деления напряжения или тока между отдельными приборами.

3; 3;3[ 3 J

- о

F2

5 7

-1Ф

s) f

Рис. 4.14. Способы включения индуктивных делителей: а - замкнутая цепь; б - схема-с задающим диодом; в - схема с общим витком

а) Параллельное соединение. Наиболее распространенным способом выравнивания токов между параллельно соединенными приборами является применение индуктивных делителей тока.

Обычно индуктивный делитель тока выполняется в виде тороидального витого магнитопровода, сквозь окно которого пропущены токоведущие щины таким образом, чтобы МДС, создаваемые токами, протекающими в этих щинах, действовали навстречу друг другу.

Существует несколько способов включения индуктивных делителей тока. Нащли применение следующие способы: замкнутая цепь, схема 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, м^, магнитопровода делителя тока по формуле

4mVw(B,-B )A/

(4.22)

где Al/fM - разбаланс прямого напряжения (напряжения в открытом состоянии). В; - остаточная индукция стали магнитопровода, Тл; Bi - индукция, Тл, соответствующая напряженности Hi; Д/- допустимый разбаланс тока в параллельных ветвях (в с]едних значениях), А; 1 - средняя длина магнитной линии стали магнитопровода, м; / - частота импульсов тока, Гц; m - скважность импульсов тока; w - число витков токоведущих проводов.

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

нитного пути (средней линии)

? = 2тД Н,. (4.23)

Наименьшие габариты делителей получаются при следующих условиях:

а) подборе приборов с минимальным разбросом по прямому падению напряжения;

б) уменьшении средней длины магнитной линии;

в) увеличении числа рабочих витков;

г) увеличении допустимого разбаланса токов;

д) увеличении отношения (В,-Во)/Н,.

Последнее достигается либо введением воздушного зазора, либо применением постоянного подмагничивания. Воздушный зазор увеличивает длину прямолинейного участка кривой намагничивания и соответственно Bj - Bq, а постоянное подмагничивание смещает рабочий участок в область отрицательной индукции, что эквивалентно предыдущему. 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 соединения управляемых приборов должен учитывать возможный разброс по времени включения отдельных приборов, обусловливающий дополнительный 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, я), так как при этом обеспечивается минимальный разбаланс токов. Если число параллельно включенных приборов больше шести, то рекомендуется применять схему с задающим диодом или с общим витком , что определяется возможностями конструктивной компоновки вентильного блока.

б) Последовательное соединение. При последовательном соединении 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 параллельно каждому из них включается шунтирующий резистор Лц сопротивление, Ом, которого может быть взято из расчета

nU -и„

Лц, = ---у^, (4.24)

где п - число последовательно включенных приборов; U - наибольшее допустимое напряжение прибора. В; U - наибольшее напряжение

на ветви с последовательно включенными приборами, В; 1ят - наибольший обратный ток (ток в закрытом состоянии) в амплитудных значениях, А.

Мощность шунтирующих резисторов Рц Вт, может быть рассчитана по известному действующему значению напряжения Utrsm на этом резисторе

Рш = Utrsu/Ru,. (4-25)

Для выравнивания напряжения на последовательно включенных управляемых приборах в переходных режимах параллельно этим прш-борам включаются конденсаторы, емкость, мкФ, которых ориентировочно определяется по формуле

nU-E,

(4.26)

где п - число последовательно включенных приборов; AQ - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл; U - наибольшее допустимое напряжение на приборе. В; £j - наибольшее напряжение, прикладываемое к цепи последовательно включенных приборов, В.

Параллельно включенные конденсаторы, эффективно выравнивая напряжение на приборах в переходных режимах, вместе с тем увеличивают ток в открытом состоянии на интервале отпирания. Эти токи можно ограничить демпфирующими резисторами, включенными последовательно с конденсаторами. Сопротивления этих резисторов должны быть как можно меньшими. Обычно они выбираются порядка нескольких десятков ом.

Для ограничения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, которая может вызвать самопроизвольное включение управляемого прибора, параллельно демпфирующим резисторам включаются диоды, которые должны иметь возможно меньшее время восстановления запирающих свойств в обратном направлении.

Схема цепочек выравнивания напряжения на последовательно соединенных тиристорах приведена на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Схема включеиия КС-а.еаочеи для ограничения перенапряжений

Рис. 4.16. Схемы для ограничения нере-напражениИ

-й-й-т-й-

-и-Й-г^1-14

Выравнивание напряжения может быть осуществлено т^кже с помощью лавинных диодов или стабилитронов, включаемых параллельно (рис. 4.16, я). Наибольшее напряжение лавинообразования этих диодов должно быть равно или немного меньше напряжения переключения тиристоров. Кроме того, эти приборы должны иметь как можно меньший разброс по напряжению пробоя.

Если нужно выравнивать и прямое и обратное напряжения, то используется схема, приведенная на рис. 4.16,6. В случае не очень жестких требований к разбросу обратных напряжений один лавинный диод можно заменить обычным (рис. 4.16, в).

4.6. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Для предупреждения самопроизвольного включения управляемых приборов при скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, превышающей критическое значение, может быть использована схема, приведенная на рис. 4.17 [7].

В период нарастания прямого напряжения на тиристоре Т резистор Кд шунтируется диодом Д. В этом случае скорость нарастания напряжения определяет постоянная времени цепи, состоящей из сопротивления нагрузки R и конденсатора С, равная х = R C.

Значение т может быть найдено исходя из допустимого значения (dUo/dt), для применяемого прибора. При известном значении R можно определить емкость шунтирующего конденсатора как С = x/R . В некоторых случаях в схеме может отсутствовать сопротивление Я„, тогда коммутируемое напряжение прикладывается непосредственно к прибору и скорость нарастания напряжения duс/йСможет быть ограничена лишь за счет увеличения внутреннего сопротивления источника напряжения. В таких схемах для ограничения duo/dt рекомендуется последовательно с прибором включать балластный резистор Rg, сопротивление которого определяется токовым режимом работы прибора. Тогда шунтирующая емкость рассчитывается исходя из Кб-

После включения прибора емкость С разряжается через резистор Кд, сопротивление которого определяется условиями ограничения всплеска разрядного тока конденсатора, равного С/Кд, до значения, при котором не превышается допустимая скорость нарастания тока.

Диод Д должен иметь возможно меньшее время обратного восстановления, так чтобы исключить возможность разряда конденсатора С через этот диод при включении защищаемого прибора.

Конденсатор С должен иметь хорошие частотные свойства. Ограничивающая КС-цепочка должна быть смонтирована как можно ближе

4-О-СГЭ-

Т

Рнс. 4.17. Схема для ограничения скорости нарастания напряжения в закрытом

состоянии - О-

к защищаемому прибору с целью уменьшения влияния паразитных индуктивностей.

Для ограничения влияния эффекта dij/dt применяются насыщающиеся реакторы, включаемые последовательно с управляемым прибором. Реактор должен удовлетворять двум требованиям: обеспечивать ограничение тока до безопасного значения на время начального этапа лавинного нарастания тока и иметь минимальное активное и реактивное сопротивления после того, как прибор включится (большое сопротивление снижает энергетические показатели преобразователя). Первое требование обусловлено необходимостью снижения мощности, которая в момент включения выделяегся на небольшом участке структуры, что и вызывает ее локальный пробой. Ток, обеспечивающий нормальное развитие процесса включения, равен 15 - 20 А, а максимальное время задержки приводится в справочных данных.

Насыщающийся реактор выполняется в виде дросселя с ферромагнитным магнитопроводом [16]. Число витков реактора w и сечение магнитопровода S связаны между собой соотношением

w = t,Uo/SB (4 27)

где - время задержки, с, СУд - напряжение перед коммутацией, В; В, - остаточная индукция, Тл (из справочных материалов); S - сечение магнитопровода, м^.

Заметим, что число витков одновременно должно удовлетворять условию

/W = Я/,р, (4.28)

где /- ток коэрцитивной силы (как сказано выше, / ; 20 А); Я - коэрцитивная сила, А/м (берется из справочных материалов для сердечника из феррита данного типа); /ф - средняя длина магнитной линии, м (для стандартных ферритовых магнитопроводов находится из справочных материалов).

Магнитопровод реактора может быть изготовлен из пермаллоя или других материалов с прямоугольной петлей гистерезиса.

4.7. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Параметры и характеристики силовых полупроводниковых приборов должны соответствовать требованиям определенной нормативно-технической документации. Исходными документами являются государственные стандарты [1, 21], определяющие общие требования, в соответствии с которыми должны выпускаться силовые полупроводниковые приборы. Конкретные требования к данному типу или виду приборов изложены в отраслевых технических условиях (ТУ 16), являющихся основным документом при изготовлении и поставке приборов. Как правило, одни технические условия распространяются на несколько типов приборов (реже на один), сходных либо по назначению, либо по конструктивным признакам. В справочнике каждый раздел содержит справочные данные приборов, соответствующих опреде-

ленным техническим условиям, номер которых указан в начале соответствующего раздела.

Наиболее полную информацию о силовых полупроводниковых приборах содержат отраслевые каталоги, в которых кроме необходимых сведений, имеющихся в ТУ, приводятся дополнительные данные, используемые потребителем при разработке преобразователей с применением данного типа прибора.

Значения параметров силовых полупроводниковых приборов зависят от условий, при которых проводятся измерения этих параметров, К таким условиям относятся температура, при которой проводятся измерения, значения параметров сопутствующих воздействий, параметры схемы, в которой проводятся измерения, и др. Условия измерений каждого параметра приведены в настоящем справочнике в соответствующих таблицах справочных данных для каждого параметра, а требования к методам и схемам измерения отвечают требованиям соответствующих нормативно-технических документов [22]. Конкретные схемы для испытаний приведены в [23].

Большое значение при проектировании преобразовательных устройств имеет правильный выбор типа силовых полупроводниковых приборов. В процессе расчетов проектировщик должен учитывать множество различных причин, могущих повлиять на нормальную работу преобразователя. Такими причинами могут быть возникновение недопустимых перенапряжений при коммутации, наличие недопустимых перегрузок по току при внешних и внутренних коротких замыканиях, перегрев приборов из-за повьпиения температуры внутри конструкции преобразователя за счет нагрева силовых элементов схемы, недостаточно мощный сигнал управления, наличие помех в цепи управления тиристоров и т. д. Игнорирование хотя бы одной из этих причин исключает нормальную работу преобразователя.

Несмотря на важность этого вопроса, в настоящее время не существует единых методических указаний по выбору силовых полупроводниковых приборов при проектировании преобразовательных устройств. Отдельные стороны этой проблемы рассмотрены в специальной литературе [17 - 20, 24 - 27], которая может быть использована при расчете полупроводниковых преобразователей.

Необходимо также учитывать некоторые общие правила эксплуатации:

1) во всех случаях применения рекомендуется не допускать экс-.плуатацию приборов при их максимально допустимой загрузке по всем параметрам. Коэффициент запаса должен определяться в зависимости от требуемой степени надежности преобразовательных устройств;

2) при замене вышедшего из строя прибора необходимо выбирать прибор с параметрами, соответствующими параметрам заменяемого прибора;

3) параллельное и последовательное соединения приборов одного типа допускаются только при соблюдении определенных условий (см. § 4.5);

4) монтаж приборов с охладителями должен производиться с учетом конкретных требований (см. § 2.2 и 4.5);

( 5) устойчивость приборов к воздействию климатических и механических факторов, а также диапазон рабочих температур для конкретных типов приборов приведены в соответствующих разделах справочника. При этом допускается эксплуатация приборов и при более высоких температурах окружающей среды при условии снижения максимально допустимой токовой нагрузки в соответствии с информационными материалами

Общими условиями для обеспечения нормальной работы силовых полупроводниковых приборов являются изменение атмосферного давления в пределах 0,086 - 0,106 МПа (650 - 800 мм рт ст), относительная влажность 98 % при 35 °С, эксплуатация во взрывобезопасных и химически неактивных средах, а также средах, не содержащих токопро-водящую пьшь, агрессивные газы и пары в концентрациях, разрушающих металл и изоляцию.

Надежные тепловой и электрический контакты обеспечиваются за счет осевого усилия сжатия для приборов таблеточной конструкции При этом охладитель и система прижима должны обеспечивать равномерное давление по всей площади контактных поверхностей Для приборов штыревого исполнения электрический и тепловой контакты обеспечиваются при помощи резьбового соединения за счет определенного крутящего момента

Для уменьшения теплового сопротивления контакта прибор-охладитель рекомендуется смазывать полиметилсилоксановой смазкой (ГОСТ 13032-77) или пастой КПТ-8 (ГОСТ 19783-74)

Значения осевых усилий (прижимных) при сборке приборов с охладителем и значения крутящих моментов даны в справочных материалах на конкретные типы приборов каждого раздела

При проверке потребителем соответствия приборов нормам действующих технических условий испытания должны проводиться в режимах и по методикам, указанным в технических условиях.

При эксплуатации приборов необходимо периодически очищать поверхности от пыли и других загрязнений