Динамические характеристики силовых полупроводниковых приборов. Быстродействие тиристорного коммутатора переменного тока с естественной и искусственной коммутацией.

Различают естественную и искусственную (принудительную) коммутацию. При естественной коммутации ток с одного рабочего тиристора на другой переходит под действием напряжения сети переменного тока, от которой или на которую дан­ный вентильный преобразователь работает (выпрямители, ведо­мые сетью инверторы, непосредственные преобразователи частоты, реверсивные преобразователи постоянного тока).

При искусственной коммутации прерывание тока рабочего ти­ристора осуществляется с помощью вспомогательного (не отно­сящегося к сети) источника энергии постоянного (импульсного) тока или предварительно заряженных конденсаторов, принадлежа­щих вентильному преобразователю. Если комму­тация происходит между двумя рабочими тиристорами, то ее на­зывают прямой (одноступенчатой) коммутация же между рабочим и вспомогательным тиристорами является не пря­мой (двухступенчатой) Теристор имеет время включения порядка десятков микросекунд. Время вклбчения тиристора с естественной коммутацией определяетса в основном частотой сети и составляет велечену порядка половины его периуда. Искусственная коммутация позволяет уменьшить время выключения СПП

Характеристики силовых вентилей по току и напряжению. Групповые соединения вентилей.

Для увеличения. мощности,. передаваемой. СПП, используется групповое соединение приборов. Последовательное и параллельное соединение полупроводниковых приборов позволяет повысить надежность вентильного преобразователя.

Не идентичность вольт-амперных характеристик СПП приводит к перегрузке отдельных вентилей по току при параллельном соединении, или по напряжению при последовательном соединении

Наиболее распространенным способом выравнивания токов между параллельно соединенными вентилями, является включение последовательно с каждым вентилем дросселя, который уменьшает разброс параметров параллельных ветвей.

Выравнивание обратных напряжений последовательно соединенных приборов осуществляется включением параллельно каждому прибору шунтирующего резистора.

Условия естественной коммутации полупроводниковых диодов и одноперационных тиристоров. Принципы принудительного запирания вентилей - искусственная коммутация.

Диоды (неуправляемые вентили) включаются и выключается только по цепи силовых электродов. Включение происходит в момент времени, когда на его анод подано положительное напряжение относительно катода. Выключается в момент перехода кривой его тока через нулевое значение.(всегда естественная коммутация).

Однооперационный тиристор (управляемые вентили) Выключается только по цепи силовых электродов, когда его прямой ток станет меньше тока удержания I _уд.

Для включения тиристора, при условии, что на его анод подано положительное напряжение относительно катода, необходим отпирающий импульс определенной амплитуды, длительности и полярности. Отпирающий импульс положительной полярности относительно катода подается на управляющий электрод.

Обычный однооперационный тиристор можно рассматривать как полууправляемый ключ. Тиристор включается по управляющему электроду, а выключается только по силовой цепи. При работе в сетях переменного тока тиристоры выключаются при смене полярности, прикладываемого к их силовым электродам напряжения. В этом случае говорят, что тиристоры работают с естественной коммутацией (ЕК).

Для построения полностью управляемого тиристорного ключа необходимо применение специальных схем искусственной коммутации (ИК) с дополнительными коммутирующими элементами, искусственная коммутация осуществляется за счет пропускания через тиристор обратного тока, благодаря чему ток через открытый тиристор уменьшается до величины меньшей тока удержания. Далее, на время запирания тиристора к нему прикладывается обратное напряжение. Обратные ток и напряжение создаются либо специальным источником питания, либо, в большинстве случаев, предварительно заряженным конденсатором.

Тепловые параметры силовых вентилей в статических и динамических режимах

Потери; возникающие при работе приборов в электрической цепи, должны рассеиваться системой охлаждения так, чтобы максимальная температура полупроводниковой структуры не превысила максимально, до­пустимое значение 120-140°С.Обычно система охлаждения вентиля предус­матривает наличие охладителя, на который отводится тепло с корпуса прибора. Воздушное охлаждение вентилей, осуществляется естественным об­разом или, для усиления интенсивности охлаждения, устанавливаются вен­тиляторы. Параметром, характеризующим тепловое состояние прибора и системы в целом является общее установившееся тепловое сопротивление R _т =( q _рп - q_с )/ D Р

Тепловое сопротивление определяется как отношение превышения температуры структуры q _рп над температурой окружающей среды q _с к мощности потерь D Р, вызвавшей это превышение температуры

Обычно, тепловой режим считается установившемся, если частота то­ка, протекающего через прибор, превышает 20 Гц. Если это условие не выполняется, то тепловой режим прибора не является постоянным и характеризуется общим переходным тепловым сопротивлением r _т = ( q _рпt - q_с )/ D Р,

где – q _рпt температура полупроводниковой структуры в момент времени t, относительно начала работы прибора. Переходные тепловые сопротивления в отличие от установившихся, приводятся в справочниках в виде экспе­риментально снятых зависимостей при определенных условиях охлаждения.

ВАХ силового тиристора и потери мощности в статич. Режиме. Условия естественной коммутации полупроводниковых диодов и однооперационных тиристоров. Принцип принудительного запирания вентилей – искусственная коммутация.

Тиристор – это прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями равновесия: состоянием с низкой проводимостью и состоянием с высокой проводимостью. Переход из одного состояния равновесия в другое обусловлен действием внешних факторов: напряжения, света, температуры.

Вольт-амперная характеристика управляемого вентиля - тиристора.

 

Рис. Вольт – амперная характеристика тиристора

 

При отсутствии тока управления i _у =0, тиристор закрыт для напряжения любой полярности, если его величина не превосходит напряжение переключения U _пер. Обычно величина U _пер соответствует классу прибора по напряжению. В этом состоянии через тиристор протекают только прямой и обратный токи утечки.

При подаче на управляющий электрод тиристора тока управления достаточной величины, прямая ветвь ВАХ тиристора спрямляется и приобретает диодный вид. Ток управления в этом случае называется током управления спрямления. Как правило, тиристор используется как управляемый бесконтактный ключ, состояние которого определяется наличием или отсутствием управляющего сигнала. Выключается однооперационный тиристор только по цепи силовых электродов, когда его прямой ток станет меньше тока удержания I _уд. При работе в сети переменного тока тиристор выключается в момент перехода кривой его тока через нулевое значение. В этом случае коммутация тиристора называется естественной. В других случаях, называется искусственной.

Мощность потерь. выделяющаяся в полупроводниковой структуре прибора, при прохождении по нему тока можно представить в виде суммы основных D Р и дополнительных потерь D Р _доп

D Р _å = D Р + D Р _допПри работе приборов на частоте, меньшей 400 Гц, мощность основных потерь является определяющей и дополнительными потерями пренебрегают. При больших частотах необходимо учитывать дополнительные потери, возникающие от обратного тока и от токов при включении и выключении прибора.

Мощность основных потерь определяется интегральными значениями прямого тока, протекающего через вентиль:

D Р=U ₀ I _ср + I _д² R _д, где I _ср, I_д - среднее и действующее значение токов вентиля. Для упрощения расчетов используется коэффициент формы k _ф = I_д / I_ср, который для известной формы тока вентиля позволяет легко определить действующее значение тока по известному среднему.

Таким образом, на частотах до 400 Гц расчет основных потерь в тиристоре можно производить по той же схеме замещения, что и для диода. Для больших частот следует учитывать и дополнительные потери, которые для тиристора включают потери от прямого тока утечки, потери в цепи управления, а так же дополнительные потери, учитываемые для неуправляемого вентиля.