1.5. Основные параметры силовых диодов и тиристоров

Параметры силовых диодов и тиристоров (вентилей) можно разделить на три группы: электрические ; тепловые; временные; механические.

Подробно вся совокупность параметров СПП изложена в [2,3,8,9]. В данном пособии рассматриваются лишь параметры, непосредственно используемые в расчетах.

Параметры вентилей подразделяются на параметры, имеющие предельно допустимые значения [максимально и (или) минимально допустимые значения], и параметры, значения которых являются характеристиками вентилей.

• Допустимое значение параметра — это значение, при котором ожидается удовлетворительная работа прибора, а предельно допустимое значение параметра — это значение, за пределами которого прибор может быть поврежден.

• Характеристика — это значение электрической, тепловой или механической величины, которое характеризует определенное свойство прибора.

Разница между предельно допустимыми значениями и характеристиками заключается в следующем. Предельно допустимые значения нельзя измерять, их можно только проверить. Они устанавливаются на основе опытов, испытаний или расчетов. Характеристики же являются такими значениями параметров, которые можно непосредственно или косвенно измерить.

Ниже представлены основные параметры силовых диодов и тиристоров, их буквенные обозначения, а так же раскрыт смысл используемых терминов.

1. Электрические параметры

Параметры вентилей по напряжению, току и сопротивлению:

Диод Тиристор

• Напряжение пробоя ..................................................... U_(BR)

• Повторяющееся импульсное обратное напряжение ... U_RRM

• Неповторяющееся импульсное обратное напряжение U_RSM

• Импульсное рабочее обратное напряжение ................ U_RWM

• Постоянное обратное напряжение .............................. U_R

• Напряжение переключения ......................................... -- U_(BO)

• Неповторяющееся импульсное напряжение

в закрытом состоянии .................................................. -- U_DSM

• Повторяющееся импульсное напряжение

в закрытом состоянии ...............................................….. -- U_DRM

• Импульсное рабочее напряжение

в закрытом состоянии ................................................... -- U_DWM

• Постоянное напряжение в закрытом состоянии …… U_D

• Максимально допустимый средний ток

(предельный ток)........................................................... I_FAVm I_TAVm

• Пороговое напряжение ................................................. U_TO U_T(TO)

• Дифференциальное сопротивление ............................. r_T

Примечание. При использовании указанных терминов допускается слово импульсные опускать.

Рассмотрим перечисленные параметры в порядке их следования.

На рис. 1.11 приведены вольт-амперные характеристики диода и тиристора, поясняющие соотношение основных параметров вентилей по напряжению.

Рис. 1.11. К пояснению количественных характеристик основных параметров приборов по напряжению: i_D – прямой ток; i_R - обратный ток; u_D – прямое напряжение; u_R - обратное напряжение.

При рассмотрении этих характеристик видно, что при превышении определенного обратного напряжения U_(BR) у диода и тиристора обратный ток может достигать больших значении, что приводит, как правило, к необратимым изменениям в структуре и выходу прибора из строя. Если превысить определенное значение прямого напряжения в закрытом состоянии U_(BO) тиристора, то он переходит в открытое состояние без подачи управляющего сигнала, что при работе преобразователей равносильно аварийному режиму. Поэтому разработчик приборов устанавливает определенные границы прикладываемого к прибору напряжения, непревышение которых гарантирует его нормальную работу при эксплуатации.

• Основными параметрами, устанавливаемыми для приборов по напряжению, являются: повторяющееся, неповторяющееся и рабочее импульсные напряжения.

Смысл терминов «повторяющееся импульсное обратное напряжение», «неповторяющееся импульсное обратное напряжение» и «импульсное рабочее обратное напряжение» поясняется на рис. 1.12.

Повторяющиеся переходные напряжения обусловлены в основном процессами коммутации активных элементов преобразователя; неповторяющиеся - внешней по отношению к преобразователю причиной: грозовые перенапряжения, перенапряжения в питающей сети и нагрузке.

Рис.1.12. К определению терминов повторяющееся, неповторяющееся и импульсное рабочее обратное напряжение

Импульсы повторяющегося импульсного обратного напряжения, прикладываются к вентилю периодически с частотой, равной частоте питающей сети. Импульсы неповторяющегося импульсного обратного напряжения, прикладываются к вентилю с частотой, меньшей частоты питающей сети. Они могут следовать весьма хаотично во времени, не подчиняясь какой-либо определенной закономерности. Однако предполагается, что наименьший интервал времени между двумя соседними им­пульсами должен быть достаточно велик (около секунды или больше) с тем, чтобы влияние предыдущего импульса на состояние вентиля полностью исчезло к моменту приложения последующего импульса.

• Класс силовых полупроводниковых приборов определяется по значению:

• повторяющегося импульсного обратного напряжения U _RRM для диодов;

• наименьшему из значений повторяющегося импульсного обратного напряжения U _RRM и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии U_DRM для тиристоров;

• наименьшему из значений повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии U_DRM, измеренных в обоих направлениях, для симметричных тиристоров.

Повторяющееся импульсное обратное напряжение и повторяю­щееся импульсное напряжение в закрытом состоянии определяются путем умножения на коэффициент k = 0,75-0,85 напряжений пробоя и переключения (конкретные значения k определяет предприятие-изготовитель прибора).

Для повышения надежности работы вентилей их обычно выбирают с запасом по напряжению, т. е. выбирают рабочее напряжение несколько меньшим повторяющегося: U_RWM (U_DWM) = 0,6-0,8 U _RRM (U_DRM).

При работе преобразователей могут возникать коммутационные напряжения, превышающие по амплитуде напряжения при нормальной работе в статических режимах. Для этих случаев в справочных данных приводятся значения неповторяющегося импульсного обратного напряжения U_RSM (неповторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии U_DSM), которые не должны превышаться при любых режимах эксплуатации. Значения неповторяющегося импульсного обратного напряжения устанавливаются обычно равными не более 1,16 U _RRM(U_DRM).

Значения повторяющегося и неповторяющегося импульсного обратного напряжения, а также импульсного рабочего обратного напряжения (для тиристоров еще и напряжения в закрытом состоянии) устанавливаются при максимально допустимой температуре перехода. При испытаниях вентилей, как правило, проверяется максимально допустимое значение только одного из этих параметров, а именно значение неповторяющегося импульсного обратного напряжения (для тиристоров - напряжения в закрытом состоянии).

При работе приборов в ждущем режиме (в цепях постоянного тока) через прибор протекает постоянный обратный ток (ток в закрытом состоянии). При этом выделяемая в структуре мощность может достигать значения, при котором происходит значительный перегрев структуры. Поэтому напряжение, прикладываемое к прибору в этом режиме, должно быть ограничено. В справочных данных для каждого класса прибора приводятся значения постоянного обратного напряже­ния U_R (и постоянного напряжения в закрытом состоянии U_D).

Максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток) является основным токовым параметром и характеризует нагрузочную способность силовых полупроводниковых приборов.

• Максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток)— среднее за период значение прямого тока (тока в открытом состоянии), протекающего через прибор, работающий в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180°, когда при установившемся тепловом состоянии температура корпуса равна заданному значению, а температура перехода равна максимально допустимой.

В зависимости от условий работы прибора различают : максимально допустимый средний прямой ток при заданной температуре корпуса вентиля Т_с и максимально допустимый средний прямой ток при заданной температуре охлаждающей среды Т_а..

Значение предельного тока при заданной температуре корпуса определяет тип прибора (см. гл. 1.1) и определяется следующим выражением:

для диодов

,

для тиристоров и симисторов при односторонней проводимости:

,

где U_(TO)(T_T(TO)) - пороговое напряжение, В; r_T - дифференциальное сопротивление, Ом; T_jm - максимально допустимая температура перехода, ^оС; T_c - температура окружающей среды, ^оС; R_thjc - тепловое сопротивление переход - корпус, ^оС/Вт ; К_ф - коэффициент формы тока.

Температура корпуса при этом определяется стандартом или ТУ на данный прибор, а температура перехода не должна превышать максимально допустимого значения.

Предельный ток вентиля при заданной температуре охлаждающей среды, определяющий нагрузочную способность вентиля при его работе в реальных условиях, зависит от способа и интенсивности охлаждения и может быть определен по указанным формулам при замене в них Т_с на Т_а, а R_thjc на R_thja .

Представленные расчетные формулы можно использовать для частоты менее 500 Гц. При f > 500 Гц расчетное значение тока должно быть снижено в соответствии с зависимостями допустимого тока от частоты, приведенными в справочнике.

Пороговое напряжение U_TO (U_T(TO) для тиристора и симистора) и дифференциальное сопротивление r_T. относятся к параметрам, характеризующим вентиль в состоянии высокой проводимости.

• Пороговое напряжение - это значение прямого напряжения, определяемое точкой пересечения линии прямолинейной аппроксимации прямой ветви ВАХ с осью напряжения (см. рис. 1.13).

На практике значение порогового напряжения измеряют, как правило, для случая, когда линия прямолинейной аппроксимации пересекает прямую ветвь ВАХ вентиля в двух точках, соответствующих 1,57 и 4,71 предельного тока для диодов и тиристоров и 0,7 и 2,1 предельного тока для симисторов.

Отрезок, отсекаемый этой линией на оси абсцисс, численно равен пороговому напряжению U_TO (U_T(TO)), а котангенс угла , под которым эта линия пересекает ось абсцисс, есть дифференциальное сопротивление r_T. Эти параметры приводятся в справочных данных прибора, причем необходимо иметь в виду, что они характеризуют состояние высокой проводимости при максимально допустимой температуре перехода.

Рис. 1.13. К вопросу определения параметров вентилей в состоянии высокой проводимости

Пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление позволяют рассчитать прямое падение напряжения u на диоде, тиристоре или симисторе в открытом состоянии при протекании заданного тока i

u = U_(TO) + i* r_T .