2.2. Последовательное соединение мощных полупроводниковых приборов

Обратное напряжение, действующее в схеме мощного преобразователя, превышает допустимое обратное напряжение одного полупроводникового прибора. Чтобы не произошёл электрический пробой p-n перехода, необходимо включить несколько штук последовательно. При этом возникает проблема равномерного распределения обратного напряжения между последовательно включёнными полупроводниковыми приборами.

В дополнительных параметрах полупроводниковых диодов и тиристоров указана величина максимального обратного тока при повторяющемся обратном напряжении I_обр._max. Однако у различных экземпляров величина обратного тока может отличаться в два и более раз. Рассмотрим последовательное соединение двух полупроводниковых диодов и их вольтамперные характеристики (рис. 2.4).

Р ис. 2.4. Последовательное соединение двух полупроводниковых диодов:

а – схема, б – вольтамперные характеристики

Как следует из рис. 2.4, б, при повторяющемся напряжении U_п у диода VD1 обратный ток составляет I_обр1, а у диода VD2 - I_обр2. При последовательном соединении таких диодов и приложении к ним обратного напряжения 2U_п, обратный ток составит . Тогда получится, что обратное напряжение на диоде VD1 составит U_обр1>U_п, а диоде VD2 - U_обр2<U_п. Диод VD1 будет работать с перегрузкой по допустимому обратному напряжению, что вызовет электрический пробой. После пробоя диода VD1 к диоду VD2 будет приложено обратное напряжение 2U_п, и он тоже будет пробит. Поэтому при последовательном включении диодов необходимо принимать меры по выравниванию обратного напряжения. Для этого параллельно каждому диоду включают шунтирующие резисторы R_ш. Величина сопротивления R_ш выбирается в 3…5 раз меньше наименьшего обратного сопротивления применяемых диодов, которое можно определить по формуле , следовательно, .

При работе полупроводниковых приборов в схемах преобразователей они некоторую часть периода синусоиды открыты и проводят большой прямой ток, а затем должны закрыться и выдерживать большое обратное напряжение. Процесс перехода полупроводникового прибора в закрытое состояние требует рассасывания объёмного заряда в слоях и p-n переходе и называется временем восстановления обратного сопротивления. Величина этого заряда отражена в дополнительных характеристиках (заряд восстановления обратного сопротивления Q_в). Самым первым закрывается полупроводниковый прибор с самым маленьким зарядом восстановления обратного сопротивления. Чтобы его не пробило нарастающим обратным напряжением параллельно диоду или тиристору следует подключить выравнивающий конденсатор С_в с ёмкостью большей, чем самая большая ёмкость p-n перехода, которая определяется величиной Q_в. Тогда эти конденсаторы С_в будут заряжаться дольше, чем время восстановления обратного сопротивления, не дадут резко повысится обратному напряжению на быстро закрывающемся полупроводниковом приборе и защитят его от пробоя. Для ограничение броска тока через конденсатор С_в последовательно с ним включают ограничительный резистор R_в. Следует заметить, что для лавинных диодов и тиристоров выравнивающие конденсаторы не нужны. Схемы выравнивания обратного напряжения между последовательно включёнными диодами представлены на рис. 2.5.

Р ис. 2.5. Схемы выравнивания обратного напряжения:

а – для лавинных диодов, б – для не лавинных диодов

Ёмкость конденсатора Св можно определить по формуле:

, [мкФ] (2.1)

где: - повторяющееся обратное напряжение полупроводникового прибора;

n_посл - число последовательно включенных полупроводниковых приборов во всей цепочке;

U_b.max - максимальное напряжение, приложенное ко всем последовательно соединённым полупроводниковым приборам;

- наибольшая разность заряда восстановления обратного сопротивления. Обычно принимают .