Режимы работы и защита полупроводниковых приборов

Лекция 6.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: групповое соединение полупроводниковых приборов; цепи формирования рабочей точки; системы защиты полупроводниковых приборов.

ГРУППОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Последовательное и параллельное соединение приборов, приме­няемое для увеличения допустимых значений тока и напряжения в одной ветви мощного преобразователя или аппарата, называется групповым соединением. Групповое соединение иногда применяется также для повышения надежности преобразователей, в которых выход из строя отдельного прибора не должен нарушать работы всей установки.

Из-за технологического разброса вольт-амперных характеристик при параллельном соединении отдельные приборы перегружаются по току, а при последовательном — по напряжению. При парал­лельном соединении, например, двух диодов (рис. 3.17, а) через диод VD1, имеющий более крутую прямую ветвь ВАХ (меньшее динамическое сопротивление г_т), при общем прямом напряжении u_F протекает ток i₁, больший, чем ток i₂ диода VD2 с пологой прямой ветвью ВАХ. В случае последовательного соединения ди­одов VD1 и VD2 (рис. 3.17, б), имеющих разброс обратных ветвей ВАХ, при приложении обратного напряжения u_R по цепи диодов протекает общий обратный ток i_R, К диоду VD1 с более пологой обратной характеристикой приложена бльшая доля общего об­ратного напряжения u_R, равная u_Rl. Увеличение -разброса харак­теристик ухудшает работу диодов при групповом соединении.

Условия работы еще более ухудшаются при групповом соединении тиристоров. В динамических режимах приложения прямого напряже­ния из-за разброса времени восстановления запирающей способности к тиристору с меньшим временем может прикладываться полное на­пряжение всей цепи, и тиристор может самопроизвольно включаться. При параллельном соединении тиристор, имеющий меньшее время включения, воспринимает весь ток главной цепи и может выйти из строя из-за теплового пробоя.

Для обеспечения надежной работы полупроводниковых приборов при групповом соединении, как правило, должны применяться меры для равномерного распределения тока при параллельном и напряже­ния при последовательном соединениях.

Рис. 3.17. Схемы параллельного (а) и последовательного (б) соединений диодов и соответствующие им графики неравномерности распределения прямого тока и обрат­ного напряжения

Параллельно-последовательное соединение.

Такое соединение при­меняется в мощных высоковольтных полупроводниковых преобразо­вательных аппаратах. Возможны соединения приборов двумя различ­ными способами: параллельное соединение а самостоятельных вет­вей, каждая из которых содержит s последовательных приборов (рис. 3.20, а); последовательное соединение s самостоятельных рядов, каж­дый из которых состоит из а параллельных приборов (рис. 3.20,6).

Рис. 3.20. Схемы последовательно-параллельного соединения полупроводниковых диодов.

ЦЕПИ ФОРМИРОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Мгновенные значения тока и напряжения прибора, характеризую­щие его состояние в каждый момент времени в любом из основных состояний или состояний в процессе переключения, определяют поло­жение рабочей точки на плоскости вольт-амперных характеристик. Последовательный переход во времени от одной рабочей точки к другой оценивается траекторией рабочей точки.

Траектория рабочей точки зависит от параметров внешней по отношению к СПП электрической схемы, а для управляемых прибо­ров (тиристоры, транзисторы) также и от параметров сигналов управ­ления.

Силовые полупроводниковые приборы используются для управле­ния током и напряжением в цепях, имеющих индуктивный, активный или сложный характер. Индуктивной нагрузкой являются трансфор­маторы, соленоиды и реле из-за индуктивностей рассеяния. Активная нагрузка создается нагревательными элементами и лампами накали­вания. Емкостной характер нагрузки имеют конденсаторы, люмине­сцентные лампы. Особенностями некоторых нагрузок (электродвига­телей, трансформаторов, ламп накаливания, схем формирования им­пульсов) являются большие токи в переходных режимах. Например, лампы накаливания, являясь активной нагрузкой, имеют в 12—18 раз меньшее сопротивление в холодном состоянии, чем в нагретом. Лю­минесцентные лампы тоже имеют большой переходный ток.

В силовых приборах фильтры тока и напряжения, а следовательно импульсная (мгновенная) мощность потерь в переходных режимах и траектория рабочей точки полупроводниковых приборов зависят от характера нагрузки (рис. 3.22). На рис. 3.22 показана область макси­мальных режимов (ОМР) для биполярного транзистора. Масштаб по осям логарифмический. При активной нагрузке (рис. 3.22, а) траекто­рии рабочей точки при включении и выключении совпадают. В вы­ключенном состоянии U_ce = U_s, где U_s — напряжение источника питания, а во включенном состоянии ток I_max = UJR, где R — сопро­тивление нагрузки. Траектория рабочей точки (ТРТ) может пересе­кать границы статической ОМР. При этом максимальные параметры транзистора I_ст и U_сет в статическом режиме не превышаются.

Рис. 3.22. Вольт-амперные характеристики и траектории рабочей точки биполярного транзистора при активной и индуктивной нагрузке

Основным ограничивающим фактором является нагрев и для правильного проектирования теплоотвода необходимо уметь рассчитывать дина­мические потери мощности.

При размыкании цепи с индуктивной нагрузкой возникают пере­напряжения U = Ldi/dt, которые могут вывести транзистор из строя. Необходимо ограничивать перенапряжения в цепи (рис. 3.23). При выключении транзистора VT (рис. 3.23, а) ток /_с быстро убывает, а ток / диода VD1 нарастает. На коллекторе восстанавливается полное напряжение U_s при большом токе коллектора. При включении тран­зистора коллекторный ток значительно превышает установившееся значение вследствие обратного тока диода VD1 в течение времени выключения. В результате ТРТ (рис. 3.22, 6) различны на интервалах включения и выключения транзистора. Максимальная мощность по­терь при включении определяется точкой В, а при выключении точ­кой Д. Из сравнения режимов, следует, что мгновенная мощность потерь, выделяющихся в транзисторе при индуктивной нагрузке, больше, чем при активной нагрузке. На рис. 2.23, б показан вариант шунтирования транзистора диодом, на рис. 2.23, в — шунтирование нагрузки R_LL RС-цепью.

Рис. 3.23. Схемы ограничения амплитуды напряжения на коллекторе транзистора при индуктивной нагрузке

Цепи формирования траектории рабочей точки с рекуперацией энер­гии. Энергия, запасенная в реактивных элементах цепи рассеивается в виде тепла. На высоких частотах эти потери значительны. Они могут оказаться ограничивающим фактором из-за трудностей, связанных с охлаждением оборудования. Поэтому лучше применять схемы, позво­ляющие возвращать эту энергию в источник электрического питания или передавать ее в цепь нагрузки. Существуют пассивные (рис. 3.32, а) и активные (рис. 3.32, б) схемы рекуперации энергии. Пассивные схемы содержат только L- и С-элементы, а активные — представляют собой цепи, например, с импульсным преобразователем.

Активная схема обеспечивает подачу энергии в источник через пре­образователь Я, работающий на высокой частоте f > F_VT. На один преобразователь через разделительные диоды VDN можно подклю­чить несколько транзисторов. Схема рекуперации с отдачей энергии в нагрузку показана на рис. 3.32, в

Рис. 3,32. Схемы цепей формирования траектории рабочей точки со схемами рекупе­рации энергии

Дата добавления: 2014-01-07