Всего на сайте:
183 тыс. 477 статей

Главная | Электроника

Выбор полупроводниковых приборов для преобразовательных устройств  Просмотрен 40

 

В качестве вентилей преобразовательных устройств наибо­лее часто используются два различающихся по принципу действия вида силовых полупроводниковых приборов: диоды и тиристоры. (Силовыми называются полупроводниковые приборы на допустимые средние токи 10 А и более или максимальные импульсные токи 100 А и более).

Внутри одного вида приборы делятся на типы: диоды - по значениям максимально допустимого среднего прямого тока, ти­ристоры - по значениям максимально допустимого среднего пря­мого тока в открытом состоянии.

Приборы одного типа подразделяются на классы: диоды - по значениям максимально допустимого повторяющегося импульсного обратного напряжения, тиристоры - по максимально допустимым значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии.

Кроме того, в зависимости от коммутационных параметров виды диодов и тиристоров делятся на подвиды. Например: диод (время обратного восстановления запирающих свойств не норми­руется), быстро восстанавливающийся диод (время восстановления менее заданной нормы или равно ей), тиристор (время включения и выключения не нормируется), быстродействующий тиристор (вре­мя включения и выключения меньше заданной нормы или равно ей).

Диоды и тиристоры подразделяются также и по характерным отличительным признакам. Например: тиристор, управляемый с по­мощью светового сигнала - фототиристор; диод (тиристор), име­ющий лавинную вольтамперную характеристику - лавинный диод (лавинный тиристор).

В действующей в настоящее время новой системе обозначе­нии и маркировок силовых полупроводниковых приборов диод обо­значается буквой Д, а тиристор - буквой Т.

При обозначении подвидов, обозначения видов диодов и ти­ристоров дополняются в зависимости от отличительных признаков следующим образом. Например, для фототиристоров к обозначению вида прибора после буквы Т добавляется буква Ф, для лавинных диодов (.тиристоров) после буквы Д (.или Т) добавляется буква Л, для быстродействующих тиристоров - буква Б.

После обозначения вида или подвида прибора в системе обозначений следуют три цифры, характеризующие конструкцию прибора. Первая цифра условно обозначает порядковый номер мо­дификации прибора (диаметр полупроводниковой пластины выпря­мительного элемента). Вторая цифра условно обозначает диаметр корпуса таблеточных приборов или размер шестигранника под ключ на корпусе штыревых приборов. Например, цифра 3 соответствует диаметру корпуса таблеточного тиристора 52 мм или размеру ше­стигранника под ключ штыревого тиристора 17 им, а цифра 5 со­ответствует диаметру корпуса таблеточного тиристора 73 мы или размеру шестигранника штыревого 27 мм. Третья цифра определя­ет конструктивное исполнение корпуса прибора. Например, шты­ревому прибору с гибким выводом соответствует цифра 2, табле­точному - цифра 3.

После обозначения вида конструкции прибора ставятся циф­ры, обозначающие максимально допустимый средний прямой ток для диодов, максимально допустимый средний прямой ток в от­крытом состоянии для тиристоров или максимально допустимый прямой импульсный ток в открытом состоянии для быстровосстанавливающихся (импульсных) тиристоров.

Приборы штыревого исполнения, имеющие на основании корпу­са анодный вывод, называются приборами с прямой полярностью, а имеющие на основании корпуса катодный вывод, - приборами с обратной полярностью. Для приборов с обратной полярностью после обозначения максимально допустимое токов ставится буква X.

Все перечисленные выше буквы и цифры составляют условное обозначение прибора и характеризуют вид (подвид), конструкций и тип прибора.

Классы приборов обозначаются цифрами, соответствующие числу сотен вольт максимально допустимых повторяющиеся нап­ряжений. При маркировке прибора цифра, определяющая класс, ставится сразу после условного обозначения прибора.

Прибор одного типа и класса подразделяются на группы в зависимости от подвида. Быстровосстанавливающиеся диоды деля­тся на группы по времени обратного восстановления запирающих свойств. Например, группа 1 соответствует времени обратного восстановления не более 5 мкс, группа 2 - времени обратного восстановления не более 4 мкс.

Тиристоры подразделяются на группы по значению критичес­кой скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, при превышении которой тиристор может самопроизвольно открыться. Например, группа 1 соответствует критической скорости не ме­нее 20 В/мкс, группа 2 - не менее 50 В/мкс.

Тиристоры быстровыключающиеся подразделяются на группы по времени выключения, а тиристоры быстровключающиеся - на группы по времени включения.

Например, группа 1 соответствует времени выключения не более 63 мкс. Эта же группа соответст­вует времени включения не более 4 мкс.

Тиристоры быстродействующие делятся на те же группы по значениям времени выключения и времени включения.

При маркировке диодов после обозначения класса ставится группа по времени обратного восстановления.

При маркировке тиристоров после обозначения класса ста­вится группа по критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, далее группа по времени выключения (для быстровключающихся группа по времени включения).

При маркировке быстродействующих тиристоров после группы по критической скорости нарастания напряжения указывается группа по времени выключения. Далее может указываться группа по времени включения.

Для приборов с ненормируемыми коммутационными параметра­ми (диодов и тиристоров общего применения) группы, характеризующие эти параметры отсутствуют.

В маркировке приборов, предназначенных для параллельной работы, после групп коммутационных параметров должны быть ука­заны пределы по импульсному прямому напряжению для диодов и импульсному напряжению в открытой состоянии для тиристоров.

Таким образом, в существующей системе обозначений и маркировок отражены все основные характеристики полупроводнико­вого прибора, необходимые разработчику.

Например, обозначение Д151-160-5-1,25-1,35 соответст­вует диоду без нормируемых коммутационных параметров, первой модификации, с размером шестигранника под ключ 27 мм, с шты­ревым корпусом с гибким выводом, на максимально допустимый средний прямой ток 160 А прямой полярности (отсутствует в обозначении буква X), 5 класса с импульсным прямым напряже­нием от 1,25 до 1,35 В.

Обозначение ТБ133-250-8-52 соответствует тиристору быст­родействующему, первой модификации, с таблеточным корпусом диаметром 73 мм, на максимально допустимый средний, ток в от­крытом состоянии 250 А, 8 класса, 5 группы по критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (не менее 320 В/мкс), с временем выключения по второй группе (не более 50 мкс).

Классификация силовых полупроводниковых приборов и но­вая система их обозначений и маркировок более полно изложена в [2].

Параметры силовых полупроводниковых приборов делятся на две группы: предельно допустимые значения и характеризующие параметры. Допустимое значение - это значение любой электрической, тепловой, механической величины, относящейся к окружающей среде, определяющее условие, при котором ожидается удовлетворительная работа полупроводникового прибора.

Предельно допустимое значение - это допустимое значение, которое определяет либо предельную способность, либо предель­ное условие, за пределами которых прибор может быть поврежден.

Характеризующий параметр - значение тепловой, электриче­ской или механической величины, которое характеризует соответ­ствующее свойство прибора.

Предельно допустимые значения и характеризующие парамет­ры для различных силовых полупроводниковых приборов приведены в [2].

Тип и класс полупроводниковых приборов выбираются такими, чтобы под действием протекающих через приборы токов в любом из предусматриваемое в разрабатываемой схеме режимах не было пре­вышения температуры, предельно допустимой для полупроводнико­вой структуры. Превышение предельной температуры сопряжено с ухудшением характеризующих параметров полупроводниковых приборов, а также возможностью теплового разрушения структуры.

Для возможности анализа тепловых режимов полупроводнико­вых приборов необходимо знать следующие термины по их тепловые характеристикам.

Допустимая температура перехода - эффективная экви­валентная температура полупроводниковой структуры (теорети­ческая допустимая температура, основанная на упрощенном пред­ставлении тепловых и электрических свойств прибора). Соответственно - максимальная или предельно допустимая темпера­тура перехода.

Температура окружающей среды - температура в задан­ной внешней контрольной точке, охлаждающей прибор.

Тепловое сопротивление переход-среда - отношение разности температуры перехода и температуры окружающей среды к мощности потерь в приборе в установившемся режиме.

Тепловое сопротивление переход-корпус - отноше­ние разности температуры перехода и температуры корпуса к мощности потерь в приборе в установившемся режиме.

Тепловое сопротивление корпус прибора - контактная поверх­ность охладителя - отношение разности температуры корпуса и температуры контактной поверхности охладителя к мощности по­терь в приборе в установившемся режиме.

Переходное тепловое сопротивление переход-среда - отношение изменения разности в конце интервала времени между температурой перехода и температурой окружающей среды к скачкообразному изменению мощности потерь в начале того же интервала времени, вызывающей изменение температуры.

Значения для каждого полупроводникового прибора приведены в [2] в таблицах предельно допустимых параметров тиристоров и диодов. Значения приведены в таблицах, характеризующих параметров диодов и тиристоров.

Значение зависит от типа конкретного охладителя, используемого совместно с прибором. Значения приведены в таблицах рекомендуемых охладителей и нагрузочной способности диодов и тиристоров.

Значение переходного теплового сопротивления за­висят от времени скорости охлаждающей среды, типа используемого совместно с прибором охладителя. Значения в функции времени приведены в виде графиков также в [2] для различных скоростей охлаждающей среды и различных типов охладителей, используемых совместно с рассматриваемым полупроводниковым прибором.

Тепловое сопротивление не приводится в справоч­ной литературе. Оно может быть рассчитано по формуле:

. (1.43)

Для выбора полупроводниковых приборов, кроме тепловых па­раметров, необходимо также знать следующие термины по основный электрическим характеристикам приборов.

Максимально допустимый средний прямой ток диода ( )или максимально допустимый средний прямой ток тиристора в откры­том состоянии ( ) - максимальное усредненное по всему пе­риоду значение прямого тока через диод или открытый тиристор при заданных техническими условиями температуре корпуса при­бора и максимально допустимой температуре перехода . Ток нормируется для работы прибора в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при ча­стоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180 электрических градусов. Максимально допустимый средний прямой ток определяет предельную нагрузку прибора, т.е. тип прибора и указывается в его маркировке.

Повторяющееся импульсное обратное напряжение на тиристо­ре или диоде ( ) - наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, включая все повторяющиеся, но исключая все непов­торяющиеся напряжения.

Повторяющееся импульсное напряжение на тиристоре в закры­том состоянии ( ) - наибольшее мгновенное значение напряже­ния в закрытом состоянии, прикладываемого к тиристору, включая все повторяющиеся напряжения, но исключая все неповторяющиеся напряжения. Для тиристора .

Повторяющиеся напряжения на диодах и тиристорах и нормируются для всего диапазона рабочих температур пере­хода, однополупериодных синусоидальных импульсов напряжения длительностью 10 мс и частотой 50 Гц.

Данные напряжения опре­деляют класс прибора и в сотнях вольт указываются в маркиров­ке диодов и тиристоров.

Перечисленные параметры приводятся в справочной литературе [2], в таблицах предельно допустимых значений.

Пороговое напряжение диода ( ) или тиристора ( ) -значение прямого напряжения на диоде или значение прямого на­пряжения на открытом тиристоре, определяемое точкой пересече­ния линии прямолинейной аппроксимации прямой ветви вольтамперной характеристики с осью напряжения. Нормируется для предель­ной температуры перехода .

Дифференциальное прямое сопротивление диода или дифферен­циальное сопротивление в открытом состоянии для тиристора ( )-значение сопротивления в открытом состоянии, определяемое по наклону линии прямолинейной аппроксимации прямой ветви вольтамперной характеристики диода или тиристора. , и приводятся в справочной литературе [2], в таблицах харак­теризующих параметров полупроводниковых приборов.

Средняя мощность потерь, значение которой определяет наг­рев прибора при заданных средних токах диода и тиристо­ра , для диода определяется по формуле:

, (1.44)

а для тиристора по формуле:

, (1.45)

где - коэффициент формы тока полупроводникового прибора, равный отношению действующего значения тока, протекающего че­рез прибор, к среднему значению этого же тока.

Для проверки правильности выбора полупроводникового при­бора необходимо знать значение максимально допустимого средне­го тока при заданных условиях работы. Для диода этот ток равен

, (1.46)

для тиристора

, (1.47)

Расчет напряжения для определения класса полупроводнико­вых приборов в источниках питания электромеханических систем рекомендуется производить по формуле:

, (1.48)

где - максимальное напряжение на вентиле, равное в мос­товых и нулевых схемах выпрямителей амплитуде линейного напря­жения вентильных обмоток силового трансформатора; 1,875 - ко­эффициент, учитывающий возможность повторяющихся и неповторя­ющихся перенапряжений в схеме выпрямителя (получен эмпиричес­ким путем и рекомендован к использованию при разработках ис­точников питания электромеханических систем).

Выбор типа полупроводникового прибора производится в два этапа. На первом этапе предварительно выбирается тип прибора. На втором производится проверка правильности выбора по отсут­ствию перегрева структуры в длительном режиме при заданных условиях работы и определяется время, в течение которого вы­бранный прибор может выдерживать заданную перегрузку по току. Исходной величиной для выбора типа прибора является сре­днее значение длительно протекающего через данный прибор тока в разрабатываемой схеме выпрямителя. Тип прибора выбирается таким, чтобы значение было меньше указанно­го в справочных данных предельного для диода или пре­дельного для тиристора.

Степень завышения предельного тока зависит от условий охлаждения, значения возможной перегрузки и ее длительности. В [2] для каждого полупроводникового прибора приведены ре­комендуемые к использованию в комплекте с ним типы охладите­лей и максимально допустимые средние токи приборов для тем­пературы охлаждающей среды =40oС и ее различных скоростей. Эти параметры приведены в таблицах рекомендуемых охладителей и нагрузочной способности диодов (тиристоров). Данными табли­цами целесообразно пользоваться при предварительном выборе полупроводникового прибора. Тип тиристора или диода выбирает­ся из этих таблиц на основании соотношения , где - указанный в таблицах предельный ток дио­да (тиристор) для конкретных условий охлаждения. Причем вы­бранный из таблицы вариант условий охлаждения должен быть, по возможности, более близким к условиям охлаждения в разрабаты­ваемой схеме.

Для схем выпрямителей о естественной коммутацией жела­тельно выбирать приборы общего применения с ненормируемыми коммутационными параметрами как наиболее дешевые.

После предварительного выбора полупроводникового прибо­ра для проверки правильности этого выбора необходимо опреде­лить максимально допустимый средний ток в открытом состоянии прибора, работающего в проектируемой схеме выпрямления при действительных условиях охлаждения. Этот ток, найденный по формуле (1.46) или (1.47) должен быть меньше тока Выполнение этого условия свидетельствует о возможности дли­тельной надежной работы выбранного прибора в рассматриваемой схеме при действительных условиях охлаждения. Входящее в (1.46) или в (1.47) значение рассчитывается на основании спра­вочных данных по формуле (1.43).

В реальных схемах источников питания вследствие различных причин, например переходных процессов пуска, возможны режи­мы, когда средний ток вентилей может превышать рассчитанное установившееся значение , т.е.

режимы токовых перегру­зок. Часто необходимо знать время, в течение которого прибор может выдерживать тоновую перегрузку, например для расчета уставки защиты от перегрузки выпрямителя или оценки динамиче­ских характеристик его нагрузки.

Для определения времени допустимой перегрузки необходимо найти допустимое значение теплового переходного сопротивления переход-среда в режиме перегрузки.

, (1.49)

где - мощность потерь в тиристоре до режима перегрузки; - мощность потерь в тиристоре в режиме перегрузки. Для диода соответственно берутся значения и . Значения и определяются по формулам (1.44) и (1.45). Значения и также определяются по тем же формулам путем подстановки в них значений тока перегрузки, равного для диода или для тиристора, где - кратность перегрузки по току.

На основании рассчитанного по приведенным в [2] зависимостям теплового переходного сопротивления от вре­мени находится время допустимой перегрузки.

Выбор полупроводниковых приборов можно рассмотреть на следующих примерах.

1.5.1. Выбрать тиристор для работы в трехфазной мостовой схеме выпрямления при температуре охлаждающей среды =50o С , амплитуде линейного напряжения вентильных обмоток трансформа­тора =230 В и среднем токе через тиристор в установив­шемся режиме =120 А. Угол проводимости тиристора в трех­фазной мостовой схеме выпрямления 120 электрических градусов и коэффициент формы тока тиристора =1,73. Определить время, в течение которого выбранный тиристор сможет выдерживать двухкратную токовую перегрузку.

Так как в мостовой схеме , напряжение, опре­деляющее класс выбираемого тиристора, в соответствии с (1.48) равно

В.

Поэтому тиристор должен быть пятого класса.

На основании приведенных таблиц [2, с. 200-202] предварительно выбирается тип тиристора T171-200 в комплекте с охла­дителем 0181-110. Из справочных данных приведенных там же В; =1,0 МОм; oC/ Вт; oC/ Вт; =125 oC.

Значение теплового сопротивления контактная поверхность охладителя -окружающая среда , учитывающее условия охлаждения, определяется по той же справочной литературе /2, с. 373/, где изображены вре­менные зависимости переходного теплового сопротивления охладителя 0181-110 для различных скоростей охлаждающего воз­духа. Значение будет равно установившемуся значению . Для рассматриваемых условий охлаждения имеем = 0,23 °С/Вт.

По формуле (1.43) рассчитывается

°С/Вт.

По формуле (1.47) находится максимально допустимый сред­ний ток тиристора при заданных условиях охлаждения

А.

Рассчитанный допустимый ток больше установившего­ся тока , протекающего через тиристор разрабатываемой схемы. Таким образом, тип тиристора выбран верно.

Мощность потерь в выбранном тиристоре при протекания че­рез него установившегося среднего тока, равного 120 А, опреде­ляется в соответствии с формулой (1.45)

Вт.

а мощность потерь в режиме двухкратной перегрузки, т.е. при среднем токе 240 А, равна

Вт.

По формуле (1.49) определяется допустимое значение пе­реходного теплового сопротивления переход-среда в режиме перегрузки

°С/Вт.

На основании найденного значения = 0,037 °С/Вт [2, с. 199] определяется допустимое время перегрузки, равное примерно 6 мс.

Все приведенные характеристики полупроводниковых приборов, расчетные соотношения и методика выбора и теплово­го расчета полупроводниковых приборов более полно изложена в /2/.

 

Предыдущая статья:Инверторный режим управляемых выпрямителей Следующая статья:Коммутация вентилей в схемах выпрямителей
page speed (0.0126 sec, direct)