Режимы работы и защита полупроводниковых приборов. Цель лекции: рассмотреть вопросы: расчет максимально допустимого тока нагрузки; расчет допустимых перегрузок полупроводниковых приборов по току

Лекция 5.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: расчет максимально допустимого тока нагрузки; расчет допустимых перегрузок полупроводниковых приборов по току.

РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО ТОКА НАГРУЗКИ

В зависимости от условий работы прибора различают три значения максимально допустимого среднего за период тока: режим 1 при заданной температуре корпуса прибора и работе в одно­фазной схеме выпрямления с активной нагрузкой при синусои­дальной форме тока с углом проводимости 180 эл. град, (кривая /, см. рис. 3.15); режим 2 (см. рис. 3.15, кривая 2) при заданных условиях охлаждения с оговоренными температурой охлаждающей среды, типом охладителя и интенсивности охлаждения (скорость охлаждающего воздуха или расход воды) при работе в однофазной схеме на активную нагрузку с углом проводимости 180 эл. 1рад.; режим 3 (см. рис. 3.15, кривая 3) при заданных условиях работы с оговоренными температурой охлаждающей среды, типом охла­дителя и интенсивности охлаждения, схемой преобразователя и формой тока прибора.

Рис. 3.15. Зависимости коэффициента формы от угла а управления для схем выпрямителей

Таблица 3.4

Режим	Формула максимально допустимого среднего тока
	ДИОда (irAVnai)	тиристора (Ita van)

В формулах использованы следующие обозначения: U_T0, U_T(T0) — пороговые напряжения, В; г_т — дифференциальное сопротивле­ние, Ом; Т_jmax — максимально допустимая температура полупровод­никовой структуры, °С; [Т_с] — температура корпуса, указанная в го­сударственном стандарте или технических условиях (ТУ) на данный тип прибора; R_thjc — тепловое сопротивление "полупроводниковая структура — корпус прибора", указанное в государственном стандар­те или ТУ на данный тип прибора, °С/Вт; Т_а — температура охлаж­дающей среды, °С; R_{thj а} = R_{thj c} + R_{th ch} + R_{th ha} — тепловое сопротив­ление "полупроводниковая структура — охлаждающая среда", — для диодов,— для тиристоров;

— эффективные значения тока для диода и тиристора соответственно.

Ряд значений [Т_с] установлен Государственным стандартом, для отечественных приборов применяются значения 70, 85, 100, 125, 150 °С (в зависимости от вида или типа прибора). Если по условиям проектирования требуется определить допустимый средний ток при других конкретных значениях Т_с, то в формулы вместо [Т_с] подстав­ляется значение Т_с.

Значение максимально допустимого среднего тока при заданных условиях охлаждения приводится в ТУ, отраслевых каталогах, справочниках [27] на приборы как информационный параметр при температуре охлаждающей среды 40 °С для одного или нескольких рекомендуемых типов охладителей с указанием интенсивности ох­лаждения.

Зависимость максимально допустимого тока от частоты следования импульсов через прибор.

С возрастанием частоты выше 50 Гц средняя за период мощность потерь увеличивается из-за потерь при переклю­чениях, и возрастает температура нагрева структуры прибора. При заданной Т_jmax максимально допустимое среднее значение тока умень­шается. При снижении частоты ниже 50 Гц из-за сильного колебания мгновенного значения температуры полупроводниковой структуры относительно ее среднего значения за период допустимая токовая нагрузка также должна быть уменьшена.

Расчет максимально допустимой амплитуды тока прибора.

Выраже­ния в табл. 3.5 позволяют определять максимально допустимый сред­ний ток. Для современных электронных преобразователей и аппара­тов в большинстве случаев токовая нагрузка СПП носит импульсный характер. При импульсной нагрузке приборы работают с большими амплитудами токов и меньшими углами проводимости. Расчет по среднему значению тока приводит к значительным погрешностям из-за большого превышения максимальной температуры полупроводни­ковой структуры среднего значения (выше 5—7 °С). Поэтому для импульсных нагрузок при заданном угле проводимости и частоте следования импульсов определяют максимально допустимую ампли­туду тока. Для такого расчета используется суммарная мощность P_d потерь в приборах. Максимально допустимая мощность суммарных потерь в импульсе

(3.44)

Максимально допустимая амплитуда тока при импульсной нагруз­ке с учетом приведенных выше взаимозависимостей определяется для диодов и тиристоров по формулам:

(3.45)

(3.46)

где Рd_max. рассчитывается по формуле (3.44) соответственно дня диода и тиристора.

РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ ПЕРЕГРУЗОК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПО ТОКУ

Виды перегрузок и перегрузочные характеристики.

В схемах преоб­разователей электрической энергии в аварийных режимах полупро­водниковые приборы, как и другие токоведущие элементы, подверга­ются перегрузкам по току. При этом полупроводниковые приборы, как правило, оказываются наиболее слабыми элементами цепи токо­вой перегрузки вследствие сравнительно низких значений максималь­но допустимой рабочей температуры.

Критериями оценки работоспособности приборов при токовых перегрузках являются перегрузочные характеристики: рабочие пере­грузочные характеристики, аварийные перегрузочные характеристи­ки, ударный неповторяющийся ток, защитный показатель.

При рабочих перегрузках не должна быть превышена максимально допустимая температура структуры. При этом виде перегрузок диод должен выдерживать обратное напряжение, а тиристор, кроме этого, не должен переключаться в открытое состояние без подачи управля­ющего сигнала.

Перегрузочные характеристики для аварийных режимов определя­ются исходя из того, что тиристор теряет управляющую способность вследствие превышения максимально допустимой температуры, но не пробивается обратным напряжением.

Ударный неповторяющийся ток и защитный показатель интеграл от i²dt пред­ставляют собой параметры, превышение которых вызывает повреж­дение приборов вследствие теплового пробоя структуры. Использова­ние этих показателей при расчете предполагает, что напряжение к приборам не прикладывается после их воздействия. Показатель i²dt используют при определении параметров защиты преобразовательно­го устройства плавкими предохранителями.

Методика расчета рабочей перегрузки. Вначале определяют макси­мально допустимые средние токи I_FAVmax, при заданных усло­виях (см. табл. 3.5). Затем устанавливается режим нагрузки, предше­ствующий режиму рабочей перегрузки. Значение предварительной на­грузки задается в долях максимального допустимого среднего тока.

Например, для тиристора:

где х принимает значения 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 для предварительной загрузки прибора.

По известному току предварительной нагрузки определяются мощ­ность потерь и температура полупроводниковой структуры:

где r_т — параметры аппроксимированной ВАХ; Т_а, R_thja — соответственно температура охлаждающей среды и установившееся тепловое сопротивление "структу­ра-среда", найденная по формуле (3.36).

Далее, для кратковременных перегрузок длительностью в один полупериод (10 мс) допустимая перегрузка может быть найдена исхо­дя из допущения, что переходный тепловой процесс определяется лишь эквивалентным импульсом длительностью t = 6 мс, а переходное тепловое сопротивление равно Z,. За это время температура структу­ры повышается до максимально допустимого значения.

Тогда допустимый ток перегрузки

Для более продолжительных перегрузок длительностью от не­скольких периодов до 100 с, когда в переходный тепловой процесс вступает тепловая цепь, допустимый ток перегрузки находится из условий работы с длительной серией импульсов перегрузки, анало­гичных приведенным в табл. 3.5 для режима 3.

В этом режиме допустимый ток перегрузки

где Z_(y) — переходные тепловые сопротивления за время у, равное 0,1; 1,0; 10; 100 с, т.е. за время перегрузки; Z_T+τ, Z_r, Z_t — соответственно переходные тепловые сопротивления за время импульса длительностью (т. = 6 мс), за период следования импульсов (Т = 20 мс), за время периода и импульса (Т + τ = 20 + 6 = 26 мс).

Дата добавления: 2014-01-07