книги / Силовые полупроводниковые приборы
..pdfТаблица 3 7. Термины для охладителей
Термин Обозначение
Охладитель —
Контактная |
поверх |
КП |
|||
ность |
|
|
|
|
|
Контрольная |
точка |
|
|
||
Температура |
контакт |
Т„ |
|||
ной поверхности |
|
|
|||
Мощность |
отводимой |
P f(P r) |
|||
теплоты |
|
|
|
|
|
Скорость |
воздуха |
в |
V |
||
межреберных каналах |
|||||
|
|||||
Объемный |
расход |
ох |
Q |
||
лаждающей |
воды |
|
|
||
Тепловое |
сопротивле |
R-thha |
|||
ние охладитель —среда |
|
||||
Тепловое |
сопротивле |
Rthch |
|||
ние корпус —охладитель |
|
||||
Переходное |
тепловое |
Z(th) tlia |
|||
сопротивление |
охлади |
|
тель —среда
Определение
Узел или деталь, предназначенные для отвода выделяемой полупровод никовым прибором теплоты в охлаж дающую среду
Поверхность соприкасающихся эле ментов охладителя и полупроводни кового прибора на пути теплового потока от прибора к охладителю Заданная точка для определения по казателей состояния охладителя и ох лаждающей среды: температуры, рас хода и скорости охлаждающей среды Температура в контрольной точке охлаждения на контактной поверх
ности охладителя Количество теплоты, отводимой ох
ладителем в единицу времени от полу проводникового прибора, работающего в установившемся тепловом режиме Среднее арифметическое значение скорости потока воздуха в межре
берных каналах охладителя Величина, равная объему охлаж
дающей воды, прошедшей через по перечное сечение системы охлаждения в единицу времени
Тепловое сопротивление при раз мещении контрольных точек на кон тактной поверхности и в охлаждаю щей среде
Тепловое сопротивление при раз мещении контрольных точек на кор пусе полупроводникового прибора и на контактной поверхности охладителя
Отношение изменения разности тем ператур в контрольных точках, рас положенных на контактной поверх ности и в охлаждающей среде, до стигнутого в конце определенного ин тервала времени, к вызывающему его ступенчатому изменению мощности от водимой теплоты в начале того же интервала времени
П р и м е ч а н и я : 1. Непосредственно перед началом этого интервала времени распределение температуры внутри ох ладителя должно быть постоянным во времени. 2. Переходное тепловое сопро тивление является функцией продолжи тельности интервала времени
41
3.3. ПОВТОРЯЮЩЕЕСЯ И НЕПОВТОРЯЮЩЕЕСЯ ИМПУЛЬСНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
На рис. 3.2 и 3.4 приведены вольт-амперные характеристики диода и тиристора. При рассмотрении этих характеристик видно, что при превышении определенного обратного напряжения U(BR) У диода и ти ристора обратный ток может достигать больших значений, что приво дит, как правило, к необратимым изменениям в структуре и выходу прибора из строя. Если превысить определенное значение в закрытом состоянии U(BO) тиристора, то он переходит в открытое состояние без подачи управляющего сигнала, что при работе преобразователей рав носильно аварийному режиму. Поэтому разработчик приборов уста навливает определенные границы прикладываемого к прибору напря жения, непревышение которых гарантирует его нормальную работу при эксплуатации. Основными параметрами, устанавливаемыми для приборов по напряжению, являются повторяющееся и неповторяю щееся импульсные напряжения.
Для пояснения количественных характеристик этих параметров ис пользуем вольт-амперные характеристики тиристора в обратном не проводящем и закрытом состояниях (рис. 3.10).
Рис. 3.10. К пояснению количественных характеристик основных параметров
|
|
приборов по напряжению: |
|
|
|
||
/д - ток |
в закрытом |
состоянии; |
in —обратный |
ток; ид —напряжение в |
|||
закрытом |
состоянии; «д —обратное |
напряжение; t\BR) —напряжение пробоя; |
|||||
UD SM ~ неповторяющееся импульсное |
напряжение |
в |
закрытом |
состоянии; |
|||
UD R M — повторяющееся |
импульсное |
напряжение |
в |
закрытом |
состоянии; |
UD W M —импульсное рабочее напряжение в закрытом состоянии; Up —постоян
ное напряжение в закрытом состоянии; UR S M - |
неповторяющееся импульсное |
|
обратное напряжение; UR R M —повторяющееся |
импульсное |
обратное напря |
жение; UR W M —импульсное рабочее обратное |
напряжение; |
UR — постоянное |
обратное напряжение; U(RO) ~ напряжение переключения
42
Класс силовых полупроводниковых приборов определяется по значению:
повторяющегося импульсного обратного напряжения U R R M д л я диодов;
наименьшему из значений повторяющегося импульсного обратно
го напряжения URRM |
и повторяющегося импульсного напряжения |
в закрытом состоянии |
UDRM для тиристоров; |
наименьшему из значений повторяющегося импульсного напряже ния в закрытом состоянии, измеренных в обоих направлениях для сим метричных тиристоров.
Повторяющееся импульсное обратное напряжение и повторяю щееся импульсное напряжение в закрытом состоянии определяются путем умножения иа коэффициент к < 1 (конкретные значения к опре деляет предприятие-изготовитель прибора) напряжений пробоя и пере ключения. Значения этих параметров выражаются в сотнях вольт, а число сотен вольт определяет класс прибора.
При работе преобразователей могут возникать коммутационные напряжения, превышающие по амплитуде напряжения при нормаль ной работе в статических режимах. Для этих случаев в справочных данных приводятся значения неповторяющегося импульсного обратно го напряжения URsu (и напряжения в закрытом состоянии и в$м), ко торые ие должны превышаться при любых режимах эксплуатации.
Для повышения надежности работы силовых полупроводниковых приборов их обычно выбирают с запасом по напряжению, т. е. выби рают рабочее напряжение несколько меньшим повторяющегося. В ка честве параметра, регламентирующего этот запас, используется им пульсное рабочее обратное напряжение URWM ( и напряжение в закрытом состоянии С/рим)-
При работе приборов в ждущем режиме (в цепях постоянного то ка) через прибор протекает постоянный обратный ток (ток в закрытом состоянии). При этом выделяемая в структуре мощность может дости гать значения, при котором происходит значительный перегрев струк туры. Поэтому напряжение, прикладываемое к прибору в этом режи ме, должно быть ограничено. В справочных данных для каждого класса прибора приводятся значения постоянного обратного напряже ния Uц (и постоянного напряжения в закрытом состоянии UD).
3.4. МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫЙ СРЕДНИЙ ТОК (ПРЕДЕЛЬНЫЙ ТОК)
Максимально допустимый средний ток характеризует нагрузоч ную способность силовых полупроводниковых приборов. В зависимо сти от условий работы прибора различают следующие значения мак симально допустимого среднего тока.
а) Максимально допустимый 1 средний ток при заданной темпера туре корпуса —среднее за период значение прямого тока (тока в ог-*
* Вместо «максимально допустимый ток» можно использовать термин «предельный ток».
43
крытом состоянии), протекающего через прибор, работающий в одно фазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180 °, когда при установившемся тепловом состоянии температура кор пуса равна заданному значению, а температура перехода равна макси мально допустимой.
Для диодов
1/Щ п» + 9>r |
K lhjc |
“ Ч (ГО) |
I |
(3.1а) |
|
1F A V m = " |
4,9гг |
|
|
|
Для тиристоров и симметричных тиристоров при односторонней проводимости
1 Т А Vm - ■V |
1/Г(ГО )+9>8гГ- |
xthje |
- и г(го) |
|
4,9аг |
(3.16) |
|||
|
где U(го) (Ur{To) - пороговое напряжение, В; гт—дифференциальное сопротивление, Ом; Tjm —максимально допустимая температура пере хода, °С; [Ге] —температура корпуса, указанная в стандарте или ТУ на данный тип прибора, °С; RthJC—тепловое сопротивление переход — корпус, указанное в стандарте или ТУ на данный тип прибора, °С/Вт (следует помнить, что значения Rthjc симметричного тиристора при односторонней и двусторонней проводимостях не одинаковы).
Максимально допустимый действующий ток в открытом состоя нии для симметричных тиристоров определяется при тех же условиях, но при прохождении тока в обоих направлениях:
|
го) + 4,9гг r - - [ r j |
- и Т(ТО) |
|
1 TRMS = |
thjc |
(3.1в) |
|
2,22 гт |
|||
|
|
Ряд значений [T J в выражениях (3.1а) —(3.1в) установлен стандар том [1]; для отечественных приборов применяются значения 70, 85, 100, 125, 150 °С (в зависимости от вида или типа).
Если требуется определить максимально допустимый средний ток при других конкретных значениях Тс или рассчитать зависимости до пустимого тока от температуры корпуса, то в приведенные выражения вместо [TJ следует подставить конкретное значение Тс или ряд значе ний при расчете зависимости.
б) Максимально допустимый средний ток при заданных условиях охлаждения (действующий для симметричных тиристоров при двусто ронней проводимости) отличается тем, что вместо регламентируемой температуры корпуса оговариваются температура охлаждающей среды, тип охладителя и интенсивность охлаждения (скорость охла ждающего воздуха или расход воды). Выражения для расчета макси мально допустимого среднего тока при заданных условиях охлажде-
44
ния .имеют вид:
для диода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Щто) + 9,8- |
|
- - V , (ГО) |
|
|
||
|
|
|
|
|
xthja |
|
|
(3 2а) |
|
|
|
4,9гт |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
для тиристоров и симметричных тиристоров при односторонней |
||||||||
проводимости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ur (Г0)+ 9,8 |
|
- Г„ |
' Г (ГО) |
|
|
|
|
|
|
|
|
(3 26) |
|||
'ГАГш= ' |
4,9г, |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
максимально допустимый действующий ток для симметричных |
||||||||
тиристоров при двусторонней проводимости |
|
|
|
|||||
|
|
UГ(ТО)+ Л,9гт- |
|
■—UТ(ТО) |
|
|
||
1 TRMS = |
■ |
2 |
,22 |
/т |
|
|
(3 2в) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
где Та - температура |
охлаждающей |
среды, |
°С; R,hja= R,hJC+ Rlkck + |
|||||
+ R,kkll —тепловое |
сопротивление |
переход —среда, |
°С/Вт; |
|||||
R,hjC—тепловое сопротивление |
переход—корпус; R,IIC, —тепловое со |
|||||||
противление |
корпус —контактная |
|
поверхность |
охладителя; |
||||
Rtkka —тепловое |
сопротивление |
контактная |
поверхность |
охладите |
ля —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 указа нием интенсивности охлаждения.
в) Максимально допустимый средний ток (действующий для сим метричных тиристоров при двусторонней проводимости) при заданных условиях работы может быть рассчитан из выражений:
для диода |
|
|
|
|
|
|
2„_ |
Т |
m |
- Т |
|
|
|
|
|
_ « _ ц |
то |
|
||
то) + 4&фГг |
|
Rthja |
|
|||
____ |
|
(3.3а) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
для тиристора и симметричного тиристора при односторонней |
||||||
проводимости |
|
|
|
т. - и Т (Т О ) |
|
|
(Го)+ 4к$гтг_ - |
|
|||||
l TAVm= ' |
|
xthja |
|
(3.36) |
||
|
|
|
|
|
||
2Лфт |
|
|
|
|
45
Рис. 3.11. Зависимости коэф фициента формы от угла уп равления для схем выпрям ления :
I —однофазной однополупериодной и однофазной мос товой, // —трехфазной с ну левой точкой, / / / —трех фазной мостовой, IV — шес тифазной, а —угол управ ления, р - угол проводи
мости
для симметричного тиристора при двусторонней проводимости
V V \(T0)+ 4&фrT~J\ |
------ - |
~ UT (T O) |
I TRMS -- ------------------------------ |
М‘ ----------------- |
- (3.3в) |
2«фгт
Ввыражениях (3.3а) —(3 Зв) кф —коэффициент формы тока, равный отношению действующего значения тока к среднему. Зависймости коэффициентов формы от угла управления для различных схем выпрямления приведены на рис. 3.11.
Вотдельных случаях при обеспечении хорошего охлаждения при бор может нагружаться током, значение которого выше максимально
допустимого, оговоренного для заданных условий охлаждения. При этом не должно превышаться регламентируемое значение максималь но допустимого действующего прямого тока (тока в открытом состоя нии), 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 допу стимый действующий ток одинаков и равен наибольшему из рас четных значений по максимально допустимому среднему току. Необ ходимость этого параметра обусловлена тем, что при больших действующих значениях тока прибор может выйти из строя не вслед ствие потери запирающей способности прибора, а из-за разрушения отдельных элементов конструкции (внутренний и внешний гибкие вы воды и др.).
С возрастанием частоты следования через прибор импульсов тока средцяя 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-
46
Рис. 3.12. Зависимость допустимой амплитуды импульсов тока IfM (1щ) от длительности импульсов I, и частоты / Л < /2 < /з < /4 Масштаб по осям логарифмический
Рнс. 3.13. Зависимость допустимой суммарной энергии потерь за одни им пульс £ от его длительности Е\ > Е2 > > £ 4 Масштаб по осям ло гарифмический
но учитывать потери в цепи управления и потерн при включении. С целью облегчения количественной оценки этих потерь в справочных данных на бысгровосстанавливающиеся диоды и быстродействующие тиристоры приводятся зависимости допустимой амплитуды импульсов тока от длительности импульса и частоты, а также зависимости допу стимой суммарной энергии потерь за импульс от его длительно сти. По первым характеристикам можно без расчетов определить до пустимость нагрузки прибора импульсами тока определенной ампли туды и длительности, следующими с заданной частотой, если известна или задана температура корпуса прибора. Характеристики приводятся в логарифмическом масштабе (рис. 3.12) для конкретного типа прибо ра. При известной длительности импульсов тока (tl, следующих с ча стотой / 2, допустимая амплитуда тока определяется в соответствии с рис. 3.12 и равна IFm (1Тм\)-
Второй вид зависимостей в общем виде приведен на рис. 3.13. Чтобы определить среднюю мощность потерь, зная амплитуду им пульсов тока I FMI (/TMI) и их длительность t:1, нужно найти по графи ку значение энергии одного импульса £ 2 (точка А) и затем умножить его иа частоту повторения импульсов.
Необходимо иметь в виду, что нагрузочная способность тиристора на частотах, отличающихся от 50 Гц, будет уменьшаться. В общем виде такая характеристика приведе на на рис. 3.14. При возрастании частоты снижение нагрузки проис-
Рнс. 3.14. Частотаяя характеристика силового полупроводникового прибора
47
ходит из-за увеличения мощности потерь при включении и выключении тиристора.
Из рис. 3.14 видно, что снижение допустимой нагрузки имеет ме сто и при уменьшении частоты. Это объясняется тем, что при неболь шом среднем значении тока возрастает амплитуда импульсов, и хотя средняя температура остается незначительной, возрастает амплитуда ее колебаний, так что при этом может быть превышено значение мак симально допустимой температуры перехода.
3.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРОДА
Для того чтобы перевести тиристор в открытое состояние, на его управляющий электрод необходимо подать сигнал определенных ам плитуды, длительности и полярности. При этом амплитуда и длитель ность управляющего импульса ограничиваются сверху и снизу рядом требований.
Измерение отпирающих тока и напряжения управления произво дится при напряжении в закрытом состоянии, равном 12 В. При плав ном повышении прямого напряжения иа управляющем электроде от мечается момент резкого снижения напряжения в закрытом состоянии, что означает включение прибора. Измеренные в этот момент напряже ния и ток управления фиксируются как отпирающие значения (UCT>
IGT)-
В диапазоне рабочих температур (от максимально до минимально допустимого значения) отпирающие ток и напряжение изменяются, уменьшаясь при возрастании температуры. Для определения зон га рантированного отпирания приборов конкретного типа снимаются за висимости тока через управляющий электрод от прямого напряжения управления (входные характеристики) для приборов с максимальным сопротивлением цепи управляющего электрода {Raid при максимально допустимой температуре приборов и с минимальным входным сопро тивлением (Rcmi/i) при минимально допустимой температуре (рис. 3.15). Зоны гарантированного включения ограничиваются этими входными характеристиками и наибольшими для данного типа тиристоров значе ниями отпирающих тока и напряжения при минимально и максималь но допустимых температурах (Татт, Тат), а также при нормальной (комнатной) температуре Та = 20 + 5 °С, при которой регламентируют ся нормируемые значения UGT и /<зг конкретного типа тиристоров. На
этой диаграмме указывается также значение неотпирающего напряжения управления UGDпри максимально допустимой тем пературе перехода.
Рнс. 3.15. Зоны гарантированного включения тиристоров:
IQT, UG T ~ отпирающие ток и напря жение управления, Tam > Та > Tamin
48
Рассмотренные диаграммы приводятся в справочных данных для постоянного напряжения на управляющем электроде. В большинстве случаев в преобразователях используется управление импульсами, при чем управляющие импульсы могут иметь длительность несколько ми кросекунд. При этом для включения тиристора требуется больший ток через управляющий электрод чем значение отпирающего тока управ ления 1СТ. На рис. 3.16 приведены зависимости относительного значе ния отпирающего импульсного прямого тока управления I FCU от дли тельности управляющего импульса Г(;.
Процесс отпирания тиристора происходит тем быстрее, чем с большей скоростью нарастает ток управления. При малой скорости нарастания тока управления из-за ограничения скорости распростране ния включенной зоны при фиксированной скорости нарастания анод ного тока возникают участки с большой плотностью выделяемой мощности, что может привести к пробою полупроводниковой струк туры. Поэтому значения таких параметров, как критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии и время включения, регламен тированы 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 ограни чено до значения, при котором мощность, выделяемая в управляю щем р-п переходе, не приводит к его пробою. Для оценки допустимых значений этой мощности в справочных данных предприятий-нзготови- телей полупроводниковых приборов приводятся диаграммы, общий вид которых показан на рис. 3.17. При управлении постоянным током кривая допустимой мощности проходит через точку В, характеризую щую верхний предел мощности. Каждая точка этой кривой соответ ствует значениям тока и напряжения управления, нревышающим зна чения отпирающих напряжения и тока управления при минимально допустимой температуре и, таким образом, обеспечивающим увереи-
Рис. 3.16. |
Завнсямнсти отнирающего |
импульсного тока управления I F C U |
|
от длительности управляющего импульса 1д |
|
IQJ— |
отпирающий постоянный |
ток управления; 7)m > Tj > Tjmm |
Рис. 3.17. Предельные характеристики управляющего электрода
49
иое включение тиристора. Выше этой кривой лежит кривая допусти мой мощности потерь при управлении импульсами длительностью t<j|. Допустимое значение импульсной мощности в цепи управления в этом случае больше, чем при постоянном токе. Аналогично располагаются кривые допустимых мощностей импульсов управления при tc4 < tG3 < < £G2 < tci- Мощность Рромт соответствует минимальной возможной длительности управляющего импульса (10—50 мкс) и исчисляется обы чно сотнями ватт, тогда как допустимая мощность при постоянном токе составляет единицы ватт.
Диаграмма импульсного управления используется также для опре деления параметров выходных каскадов схем формирования упра вляющих импульсов. К таким параметрам относятся напряжение хо лостого хода Ur и внутреннее сопротивление генератора Rr.
В качестве примера на рис. 3.17 иллюстрируется принцип выбора параметров генератора управляющих импульсов [17] длительностью tc3. Линия нагрузки генератора RGm ие должна проходить ниже обла сти гарантированной зоны включения тиристора (заштрихованная зо на) и может лишь касаться этой области (точка В). С другой стороны, линия нагрузки RGmw ие должна проходить выше линии допустимой мощности потерь в цепи управления для данной длительности импуль са tGз (точка С). Таким образом, линией нагрузки может быть линия Rr, положение которой иа диаграмме определяет напряжение холо стого хода Ur и ток короткого замыкания / г 3 генератора, численно равные соответственно отрезкам OUT и 0 /к у Внутреннее сопротивле ние генератора управляющих импульсов RTравно 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 значе ния максимально допустимых импульсных тока и напряжения упра вления Ijraum и VFGum> 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, ес ли их произведение для конкретного прибора превышает допустимое значение мощности управления Ррсмт Для заданной длительности импульса.
3.6.ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ
СПОСОБНОСТИ
Во многих случаях в преобразователях на основе силовых полу проводниковых приборов используются быстродействующие схемы за питы, исключающие воздействие напряжения на элементы схемы по сле срабатывания (предохранители, сеточная защита, быстродействую щие выключатели и др.). Структура полупроводникового прибора при отсутствии на ней напряжения может выдерживать кратковременно воздействие температуры в несколько сот градусов Цельсия "и при от
50