Электронные преобразователи и аппараты. Цель лекции: рассмотреть вопросы: обоснование и выбор типа полупроводниковых приборов; расчет группового соединения полупроводниковых приборов

Лекция 10.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: обоснование и выбор типа полупроводниковых приборов; расчет группового соединения полупроводниковых приборов.

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ТИПА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

В силовой электронике наиболее распространены: диоды низко­частотные, быстровосстанавливающиеся, с повышенным быстродей­ствием, лавинные, диоды Шоттки; тиристоры — незапираемые (Th), быстродействующие, асимметричные, тиристоры-диоды, запираемые тиристоры (GTO), фототиристоры; силовые биполярные транзисторы (BJT); силовые полевые МОП-транзисторы (MOSFET); биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); силовые полевые приборы ср—л-переходом (SITr-транзисторы, SITh-тиристоры); запи­раемые тиристоры с полевым управлением (МСТ, MOSGTO). Наряду с производством дискретных силовых полупроводниковых приборов ведущими фирмами освоен выпуск силовых полупроводни­ковых модулей. В разработках силовых полупроводниковых модулей используются все типы СПП.

Новым классом элементной базы силовой электроники являются интеллектуальные силовые схемы, объединяющие в одном модуле силовые приборы с устройствами управления, защиты, контроля и диагностирования.

Силовые полупроводниковые приборы и модули производятся примерно в 150 фирмах мира. Номенклатура изделий фирм достигает нескольких тысяч, а диапазон по основным параметрам охватывает от 10 до 4500 А по току, от 100 до 8000 В по напряжению и от десятков герц до 1 МГц по частоте.

Наибольших успехов в создании современных силовых полупро­водниковых приборов достигли японские фирмы Tochiba, Mitsubishi, Hitachi, Fuji. Среди европейских фирм ведущими являются Marconi (Англия), AEG, ABB (Германия), Thomson (Франция), Ansaldo (Ита­лия), CKD (Чехия), International Rectifier (Европа). В США большое количество силовьщ полупроводниковых приборов выпускают фирмы Westinghouse й Motorola. В странах СНГ современную про­дукцию силовой электроники производят АО "Элекгровыпрямитель" (Саранск, РФ) и НПО «Преобразователь» (Запорожье, Украина).

Диапазоны напряжения следующие: для IGBT — 100+2500 В; для MOS — до 1000 В; для GTO — 2500+5000 В; для Th — 5000+10000 В.

Элементная база для построения силовой схемы преобразователя выбирается с учетом затрат на систему управления преобразователя­ми. Логическая часть системы управления зависит от типа и мощнос­ти СПП, применяемых в силовой схеме. Исполнительные же устрой­ства системы управления — узлы формирования траектории рабочей точки (ФТРТ) силовых приборов, непосредственно связаны с харак­теристиками и параметрами СПП.

Необходимость увеличения токов устройств ФТРТ обуславливает завышение их мощности. С учетом необходимости потенциальной развязки между узлами ФТРТ добавляются определенные сложности в создании источников их питания.

Существенно меньшие мощности требуются для цепей ФТРТ МОП- и JGBT-транзисторов, так как их управление является зарядо­вым (потенциальным), а не токовым. При разработке преобразовате­лей мощностью до 10 кВт с учетом этих показателей предпочтитель­ными оказываются JGBT-транзисторы, а для мощностей 50 кВт — GTO-тиристоры. Высоковольтные преобразователи мощностью более 1000 кВт, как правило, разрабатываются на обычных незапира-емых тиристорах и GTO-тиристорах. Использование GTO-тиристоров в качестве ключей обуславливает создание устройств ФТРТ с силовыми транзисторами, так как типо­вое значение коэффициента усиления при выключении G = 4+5. Кроме того, на всем интервале включенного состояния необходимо подавать в цепь управления поддерживающий ток, а на интервале выключен­ного состояния поддерживать отрицательное смещение на управляю­щем электроде.

Примерно такие же требования предъявляют к цепям ФТРТ для биполярных транзисторов, для которых коэффициент усиления не превышает 10.

РАСЧЕТ ГРУППОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Для повышения экономичности и надежности предпочтительно применение одного СПП в одном плече схемы преобразователя. Число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения

(5.2)

где к_н — коэффициент использования приборов по току в зависимости от длительности перегрузки; Imax — средний ток плеча преобразователя в режиме заданной нагрузки, А; I_{FAVmax(TAV)max} — предельный ток диода (тиристора) с конкретными типом охладителя и условиями охлаждения, А.

Так как СПП имеют низкую перегрузочную способность, то при расчете необходимо отдельно рассмотреть следующие режимы рабо­ты преобразователя: режим длительной нагрузки преобразователя, режим рабочей нагрузки в течение заданного временного интервала и режим аварийной перегрузки в течение интервала времени срабаты­вания защиты.

В расчете определяется а для всех режимов нагрузки и перегрузки, принимается наибольшее из них и округляется до большего целого числа, если дробная часть превышает 0,1.

Коэффициент использования учитывает физические процессы при нагревании структуры СПП токами при различной длительности рас­сматриваемого режима:

(5.3)

где k_пер — коэффициент перегрузки в кратковременном режиме; к_т — коэффициент, учитывающий снижение предельного тока из-за повышенной температуры охлаждаю­щей среды. Если специально не оговаривать условие охлаждения, то к_т = 1,0; к_а — коэффициент неравномерности распределения тока в параллельных ветвях.

Коэффициент перегрузки, где I_FAVmax — среднее

значение тока перегрузки. В режиме длительной нагрузки к_пер = 1.

Коэффициент неравномерности распределения тока в параллель­ных ветвях,, где I_Fcp — соответственно среднее значение максимально загруженного СПП и средняя загрузка парал­лельных приборов. При проектировании допускают неравномерность распределения тока, составляющую 10 %, что соответствует к_а= 1,1.

Для определения предельного тока прибора с конкретным типом охладителя по справочным источникам выбирается тип охладителя. Определяется для заданных климатических условий максимальная температура охлаждающей среды Т_а. Затем рассчитывается пре­дельный ток по формуле нагрузочной способности, приведенной в табл. 3.5.

Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учи­тывается, если длительность перегрузки не превышает 100 с. В этом режиме ток перегрузки определяется по выражению (3.51).

Если длительность рабочей перегрузки более 100 с, то следует пользоваться формулами для режима длительной нагрузки.

В режиме аварийной перегрузки при коротком замыкании и вре­мени перегрузки до 10 мс (один полупериод при частоте 50 Гц) ток перегрузки определяется по формуле

Число последовательных СПП определяется из соотношения

(5.4)

где S — коэффициент неравномерности распределения напряжения, допускается к_s = =1,1; к_kп — кратность перенапряжений, согласно, для тяговых преобразователей принимаются равным 1,7—1,8; U_Bmax — максимальное обратное напряжение на плече преобразователя в нормальном режиме; Ursm — неповторяющееся напряжение.

Для обоснованного повышения надежности в ряде случаев к полученному значению s добавляют один СПП и округляют в большую сторону до целого числа. В групповом соединении а параллельных и s последовательных СПП в одном плече преоб­разователя из-за разброса их параметров применяют меры вырав­нивания тока в параллельных и напряжения в последовательных соединениях (см. рис. 3.20, 3.21).

Для равномерного деления тока используют подбор СПП по пря­мому импульсному напряжению или включение индуктивных делите­лей. Одновитковые индуктивные делители с магнитопроводом рас­считываются по формуле (5.5)

где q — сечение магнитопровода, м²; Ufm— разбаланс прямого падения напряжения параллельных СПП, В; Н — напряженность для точки насыщения по кривой намаг­ничивания, А; /ц — средняя длина магнитной линии магнитопровода, м; m — скваж­ность импульсов тока, для мостовой схемы т- 77т = 3,5;/— частота импульсов тока, Гц; В — индукция, соответствующая напряженности Н, Тл; Во — остаточная индукция стали сердечника, Тл; — допустимый разбаланс токов (к_а = 1,1), А.

Для равномерного деления напряжения применяются активные R_m, емкостные С, смешанные RC- и RCD-цепи, включаемые параллельно СПП. Используются также вместо обычных СПП лавинные диоды и тиристоры, допускающие последовательное включение без специаль­ных делителей.

Сопротивление шунтирующих резисторов Я_ш принимается при­мерно в 5 раз меньше, чем максимальное сопротивление СПП в пос­ледовательной цепи, и рассчитывается [26, 27] по формуле

(5.6)

где s — число последовательных приборов; U — наибольшее допустимое напряжение для одного СПП данного класса, В; U_max — наибольшее напряжение на плече из s последовательных приборов, В; I_Rmax — наибольший повторяющийся импульсный об­ратный ток СПП, А.

Мощность резистора

(5.7)

где Ufrsm — эффективное значение напряжения на этом резисторе.

Емкость шунтирующего конденсатора, обеспечивающего вырав­нивание напряжения в переходных режимах, определяется по формуле, мк

(5.8)

где Q_rr — наибольшее значение разброса по заряду восстановления в последователь­ной цепи СПП (в кулонах).

Рекомендуется принимать(максимальное значение заряда восстановления СПП данного типа).

Для тиристорных схем последовательно с конденсатором включа­ется низкоомный резистор для ограничения тока разряда при откры­тии тиристора.

Параметры RC-цепи принимаются обычно при С = 1 + 5 мкФ и R = 10 + 50 Ом на один СПП, что обеспечивает при частоте 50 Гц общее сопротивление шунтирующей цепи примерно 600—3200 Ом. RС-цепи в установках 50 Гц обеспечивают выравнивание напряжения, прикладываемого к СПП в течение непроводящей части перио­да. В таких цепях можно применять только ЛС-цепи, отказавшись от Я_ш-цепей. Однако следует учитывать, что при подаче напряжения пониженной частоты или постоянного тока RС-цепи не обеспечивают равномерное деление прикладываемого напряжения.

Для тиристоров и силовых транзисторов чаще используются ЛСД-цепи (см. рис. 3.19, в).

Наиболее полно проблема распределения напряжения решается при применении СПП с лавинной вольт-амперной характеристикой. Благодаря лавинному пробою одного из последовательных СПП на­ступает эффект самовыравнивания приложенного напряжения. Увели­чивающееся напряжение прикладывается к другим, еще не достигшим процесса лавинообразования, приборам при ограниченном токе ла­винного пробоя из-за того, что оставшиеся СПП не позволяют току нарастать.

Перспективно применение полупроводниковых ограничителей на­пряжения, выполненных на кремниевых полупроводниковых структу­рах с двумя встречно включенными р—л-переходами, обладающими лавинной ВАХ.

Рассмотрим примерный расчет выравнивающей цепи при последо­вательном соединении диодов.

Дата добавления: 2014-01-07