Режимы работы и защита полупроводниковых приборов. Цель лекции:рассмотреть вопрос: системы защиты полупроводниковых приборов

Лекция 7.

Цель лекции: рассмотреть вопрос: системы защиты полупроводниковых приборов.

СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Защита должна предотвращать аварийную ситуацию в ус­тановке в случае внешнего короткого замыкания в цепи нагрузки, повреждения полупроводникового прибора или несвоевременного его включения.

Различают защиту от сверхтоков при коротких замыканиях и за­щиту от перенапряжений.

Защита от сверхтоков при коротких замыканиях обычно включает в себя плавкие предохранители или быстродействующие выключате­ли. Может быть применена бесконтактная защита тиристорных пре­образователей. Защита от перенапряжений ограничивает возможные "всплески" тока, опасные для полупроводниковой структуры. Для защиты может использоваться метод замыкания шин питания защи­щаемой аппаратуры специальным короткозамыкателем с последую­щим размыканием цепи питания предохранителем. Для ограничения токов короткого замыкания в ряде случаев используются токоограничивающие дроссели.

Защита от сверхтоков. Можно спроектировать полупроводнико­вую установку, компоненты и приборы которой рассчитаны на любые перегрузки. При этом возрастают первоначальные затраты. Исполь­зование предохранителей, быстродействующих выключателей, вы­ключателей мощности, которые должны размыкать цепь раньше мо­мента повреждения полупроводникового прибора, позволяет защи­щать от сверхтоков установку, обладающую ограниченной пере­грузочной способностью. Эта защита должна удовлетворять требова­ниям быстродействия, избирательности, обеспечения термической и электродинамической стойкости, ограничения возникновения перена­пряжений, надежности, коммутационной способности, помехоустой­чивости и чувствительности.

Быстродействующий выключатель или предохранитель размыкает цепь тока короткого замыкания i_к в процессе его нарастания и огра­ничивает его возможную амплитуду i_к (рис. 3.33, а).

При нарастании тока i_K на интервале t₀—t₂ цепь предохранителя не размыкается, а у выключателя контакты замкнуты. Время t_mах, определяемое плавлением вставки предохранителя или временем t_A нарастания тока i_к, тока уставки I_А (0-t₁) плюс собственное время срабатывания выключателя (t₁—t₂). На интервале t₂—t₅ происходит образование электрической дуги и нарастание напряжения U_s на ней, что вызывает снижение скорости нарастания тока i_K (точка А на кривой i_к) и его ограничение после достижения максимального значе­ния I_max (точка В на кривой i_K). Снижение тока i_K приводит к возрас­танию напряжения U_s выше напряжения установки U_um благодаря ЭДС самоиндукции цепей на1рузки и источника (интервал t₄—t₅) На интервале t₃—1₆, характеризующимся временем гашения дуги t_a, на­пряжение в дуге определяется ее вольт-амперной характеристикой, а ток /_к спадает до нуля (точка Q.

Для предохранителя полное время отключения t_c = t_max + t_a. Пол­ное тепловое воздействие тока /_к на предохранитель состоит из воз­действия за время плавления, определяемого значениями сопротивления вставки и джоулева интеграла из воздействия за время горения дуги т. е.

Рис. 3,33. Графики токов и напряжений при отключении цепи короткого замыкания с помощью предохранителя или быстродействующего выключателя

Полное время отключения выключателя t = t_c- t_A. За время про­хождения аварийного тока i_k в защищаемой цепи выделяется теплота,

пропорциональная

Как показано ранее, перегрузочная способность диодов и тиристо­ров за время длительностью до 10 мс определяется интегралом про­изведения квадрата тока на время его действия (защитный показатель

JiMf). Для обеспечения защищенности полупроводниковых приборов

устройства защиты от сверхтоков должны обеспечивать ограничение амплитуды и длительности аварийного тока таким образом, чтобы обеспечивалось основное соотношение защищенности

(3.67).

При проектировании электронных преобразователей и аппаратов решаются задачи согласования перегрузочных характеристик СПП, характеристик защитных устройств от сверхтоков и эксплуатацион­ных графиков нагрузки с учетом возможных технологических нагру­зок. Используется принцип согласования характеристик полупровод­никового преобразователя (кривая 1), защиты (кривая 2) и нагрузки (кривая 3) по времятоковой (ампер-секундной) зависимости (рис. 3.33, б). Ампер-секундная характеристика защиты должна находиться ниже и левее перегрузочной кривой полупроводникового прибора, но выше и правее нагрузочной характеристики преобразователя. На рис. 3.33, в в логарифмическом масштабе приведена зависимость времени плавления t_max от относительного значения эффективного тока плав­ления быстродействующей защиты полупроводниковых приборов. На характеристику нанесены линии для ряда значений защитного пока­зателя i²dt. По характеристике можно подобрать по заданному типу

полупроводникового прибора соответствующий тип предохранителя.

В зависимости от характеристик защитных аппаратов может обес­печиваться полная защита (кривая 2 на рис. 3.33, б везде вписывается в кривую l), частичная защита или защита не обеспечивается. Защиты для интервала t_mах<10 мс выбирается по защитному показателю, а при более длительных перегрузках по ударному неповторяющемуся току (см. рис. 2.44).

Промышленностью выпускаются специальные быстродействую­щие предохранители, например серии ПНБ5 (наполнение кварце­вым песком, быстродействующий) с номинальными токами плавких вставок от 40 до 630 А и серии ПП57, ПП41 соответственно с номинальными токами 25—800 А и 100—1000 А на постоянное напряжение до 1080 В. Коммутационная способность предохрани­телей 100—300 кА, Применяются также быстродействующие автоматические выключатели переменного и постоянного тока серии A3700 на токи до 1000 А и напряжение до 660 В с собственным временем отключения 10—40 мс и отключающей способностью до 100 кА. Более высокие номинальные значения имеют выключатели ВАТ (автоматические токоограничивающие) на токи до 1250—12500 А и постоянное напряжение до 1050 В и более. Они имеют собственное время отключения 1,5—5 мс и отключающую способность 20—70 кА [19].

Бесконтактные защиты тиристорных установок. Такие системы на­ходят применение в современных преобразователях наряду с защитой автоматическими выключателями и плавкими предохранителями.

Используются следующие основные способы бесконтактных защит: снятие (блокирование) управляющих импульсов тиристоров; перевод установки в рекуперативный режим в результате сдвига уп­равляющих импульсов; принудительное прерывание аварийного тока с помощью предварительно заряженной коммутирующей емкости.

Защиты от перенапряжений. Перенапряжения возникают в процес­се срабатывания коммутационных аппаратов в питающей сети, из-за атмосферных грозовых явлений, включения преобразовательных трансформаторов или других реактивных элементов, а также при переключениях полупроводниковых приборов в схемах преобразова­телей. Энергия, связанная с сетевыми перенапряжениями, достигает 10³—10⁴ Дж, коммутационные перенапряжения сопровождаются энер­гией 10—10² Дж, а схемные — энергией 1 Дж. Кремниевые диоды, тиристоры и силовые транзисторы могут быть повреждены при пере­напряжениях даже наносекундного диапазона длительностей.

Рассмотрим зависимость опасных перенапряжений от длительнос­ти импульса для выпрямительных установок со стороны постоянного тока (рис. 3.34) [32]. Величина AU представляет собой периодическое перенапряжение как отклонение от номинального выпрямленного напряжения U_dH. Для напряжений U_dH> 50B возможные максималь­ные перенапряжения

Например, при импульсах длительностью 2 мс установку следует проектировать, выбирая приборы по двойному значению напряже­ния. Это не экономично, особенно для низковольтных преобразова­телей, для которых кратность перенапряжений велика. Поэтому в полупроводниковых преобразователях используются разнообразные устройства ограничения перенапряжений. Для подавления перенапря­жений используют устройства, не пропускающие короткие высоковольтные импульсы напряжения к защищаемым приборам, например узкополосные LC-фильтры низкой частоты, С-цепи; диверторы (ог­раничители напряжения), например обратно включенные селеновые приборы, стабилитроны, варисторы, изготовленные из карбида крем­ния или оксида цинка, обладающие нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Нелинейная ВАХ может быть аппроксимирована уравнением

(3.69)

здесь

(3.70)

Коэффициент а характеризует степень нелинейности электропро­водности прибора. Чем выше а, тем лучше ограничительные свойства прибора. Наиболее эффективными ограничителями являются стаби­литроны (а=35) и варисторы (а > 25). Они компактны, работают в наносекундном диапазоне и могут рассеивать значительные мощнос­ти (до 50 кВт).

Варистор представляет собой нелинейный полупроводник, свойст­ва которого сходны со свойством р—«-перехода. Пробой происходит на границах отдельных зерен его структуры, что способствует равно­мерному распределению теплоты по объему. Площадь поперечного сечения варистора определяет максимальный допустимый ток, а тол­щина — напряжение пробоя.

Значительная собственная емкость структуры ограничивает макси­мальную рабочую частоту. Функционально варистор подобен двум встречно включенным стабилитронам. Характерной чертой варисторов является ухудшение характеристик со временем, что ограничивает число срабатываний при предельных значениях выделяющейся энер­гии. При низких энергиях число срабатываний не ограничено, а при номинальной энергии возможно только одно срабатывание.

Аварийным для стабилитрона и варистора является короткое за­мыкание токоограничивающего резистора.

Данные некоторых видов ограничителей напряжения приведены в табл. 3.6

Таблица 3.6

Параметр	Варистор (SiC)	Варистор (ZnO)	Стабилитрон
Пиковый ток при пробое, А	-		5,5
Пикозая мощность, кВт	-		1,5
Рассеиваемая энергия, Дж
Ограничивающее напряжение, В	15-300	14-1200	1,8-280
Рост напряжения при токе 10 А, В	4,5	1,7	1,4

В преобразовательных установках в зависимости от их мощности, типа СПП (диоды, тиристоры, транзисторы) применяются разнооб­разные комбинации фильтрующих и ограничивающих устройств, включаемых со стороны источника питания и со стороны нагрузки. При этом должна выполняться тщательная координация устройств защиты от перенапряжений с другими устройствами, обеспечивающи­ми нормальную работу СПП при групповом соединении и формиро­вании траектории рабочей точки.

Схемы защиты с короткозамыкателями. Обесточивание нагрузки как защитная мера может применяться при коротком замыкании и перенапряжениях в цепях постоянного или переменного тока. В схеме замыкания цепи источника питания постоянного тока посредством включения специального тиристора VT при возникновении аварий­ной ситуации (рис. 3.35) датчиком тока служит резистор R1, датчиком напряжения — делитель напряжения R2—R3. При перегрузках по току или перенапряжениях от схемы управления СУ включается ти­ристор VT, который шунтирует цепь нагрузки. При этом сгорает предохранитель FS1 или срабатывает автоматический выключатель.

Подавление помех, создаваемых аппаратурой. При переключении СПП возникает "всплеск" напряжения, пропорциональный di/dt. Частотный спектр выделившейся при этом энергии весьма широк. Поэтому соответствующие помехи могут распространяться по со­единительным проводам питающей сети и в результате излучения в окружающее пространство. Помехи, распространяющиеся по соеди­нительным проводам, могут быть уменьшены при помощи LC-фильтра (рис. 3.36),

Рис. 3.35. Схема защиты полупроводникового пре­образователя с тиристорным корогкозамыкателем

Рис 3.36. Схема сетевого LC-фильтра.

Помехи, излучаемые в окружающее пространство, подавляются компоновкой электростатических и магнитных экранов. Целесообраз­но также использовать схемы с высокой помехоустойчивостью, на­пример, устройства на МДП-транзисторах.

Дата добавления: 2014-01-07