4.2 Последовательное соединение полупроводниковых приборов в высоковольтных блоках

Влияние неидентичности характеристик СПП на распределение напряжения при последовательном их соединении в статическом режиме работы иллюстрируется рисунком 4.3. Под статическим понимают режим работы с относительно медленным для СПП изменением напряжения, т. е. режим с эквивалентными частотами 50 ─ 500 Гц. На рисунке 4.3 показано распределение напряжения, прикладываемого к закрытым тиристорам в прямом направлении. Аналогичное явление возникает, если к тиристорам или диодам прикладывается напряжение в обратном направлении. И в том и в другом случае большая часть напряжения будет приходиться на приборы с меньшими токами утечек. Причем не обязательно, что у одного и того же тиристора будет меньший ток утечки и в прямом I_D, и в обратном I_R направлении.

При изменении полярности прикладываемого напряжения, следовательно, может измениться и распределение напряжения по тиристорам. Непредсказуемым также является изменение соотношения токов утечек с повышением температуры тиристоров. Отмеченные факты иллюстрируются зависимостями, приведенными на рисунках 4.4 и 4.5. Кроме этого, можно констатировать, что во всем диапазоне изменения температуры и воздействующего напряжения обратные токи у тиристоров достигают значительно меньших значений, чем токи в прямом направлении, когда тиристоры находятся в закрытом состоянии. Максимальный разброс токов утечек, определяющий неравномерность распределения напряжения по тиристорам при последовательном их соединении, может составлять

500 − 800 % и более.

Рисунке 4.3 ─ Распределение напряжения по СПН при

последовательном их соединении

1, 2, 3 ─ Номера тиристоров; (а) − обратного тока; (б) − от напряжения для тиристоров тд-320

Рисунок 4.4 − Зависимость тока в закрытом состоянии тиристора

1,2,3 ─ Номера тиристоров; (а) − обратного тока;

(б) − от температуры кремниевой структуры тиристоров

Рисунок 4.5 − Зависимость тока в закрытом состоянии тиристора

Такой режим является опасным для тиристора с малым током в закрытом состоянии или обратным током, так как напряжение на нем может превысить предельно допустимое значение.

для выравнивания напряжений применяются резисторы, включаемые параллельно каждому тиристору. Ориентировочно значение сопротивления этих резисторов должно быть на порядок меньше, чем сопротивление СПП при повторяющемся напряжении.

Учитывая, однако, что шунтирующие резисторы вносят дополнительные потери электрической энергии, желательно выбирать это значение сопротивления как можно выше, для этого надо знать разность токов утечки при заданных условиях работы. Обозначим разность этих токов

.

Наибольшее неравенство напряжений соответствует случаю, когда один из последовательно соединенных приборов имеет наименьший ток утечки I_{ут min} , а все остальные - наибольший I_{ут max} (рисунок 4.6). Если наибольшее допустимое напряжение для выбранного типа тиристоров равно U, необходимо обеспечить, чтобы U≤I₁R_ш при наибольшем напряжении U_m на всей ветви с n_U последовательно включенными тиристорами. Из рисунка 4.6 следует

(4.1)

Учитывая, что , уравнение (4.1) можно записать так:

,

откуда

. (4.2)

В сопроводительных документах на СПП, как правило, указывается только максимальное значение импульсного тока утечки при повторяющемся напряжении и максимально допустимой температуре кремниевой структуры. для тиристоров это значение является максимально возможным при воздействии напряжения и в прямом и в обратном направлении. Если действительный разброс токов утечки для используемой партии приборов экспериментально не установлен, то можно рассчитать R_ш, исходя из I_{ут max} полагая, что I_{ут min} =0. Выражение (4.2) в этом случае запишется в виде

.

Мощность, рассеиваемая резистором, определяется для наиболее тяжелого в тепловом отношении режима, когда тиристорный блок в выключенном состоянии находится под воздействием наибольшего напряжения:

где U − действующее напряжение на тиристорном блоке.

В переходных режимах работы, которые соответствуют процессу обратного восстановления СПП, а для тиристоров и процессу включения, неравномерность распределения напряжения обусловлена неодинаковым быстродействием приборов. При включении последовательно соединенных тиристоров, в отличие от параллельной их работы, в наиболее тяжелых условиях оказывается тиристор с большим временем включения.

По мере включения других тиристоров он «берет» на себя все ранее блокируемое ими напряжение. В результате включение более медленного тиристора происходит под воздействием одновременно трех факторов: тока управления, превышения напряжения, скорости приложения напряжения (эффекта du/dt). В общем это приводит к форсированию включения и для большинства тиристоров общепромышленного назначения не опасно.

Однако у некоторых типов быстродействующих тиристоров многократное воздействие перенапряжений вызывает снижение их класса по напряжению и последующий выход из строя.

Процесс отключения тиристорами цепи с активно-индуктивной нагрузкой сопровождается возникновением перенапряжений. В силовых блоках с последовательным соединением приборов положение осложняется тем, что восстанавливающееся напряжение распределяется по ним неравномерно из-за разброса времени t_y, (рисунок 4.6). Причем в отличие от процесса включения в наиболее тяжелых условиях оказывается тиристор, обладающий меньшим t_y, т.е. более быстродействующий.

Таким образом, оба коммутационных режима работы последовательно соединенных СПП требуют принятия мер, обеспечивающих выравнивание напряжений на отдельных приборах. Шунтирующие резисторы R_Ш с большим сопротивлением, в этих режимах на распределение напряжения не оказывают практически никакого влияния. В режиме отключения тока необходимо также ограничивать возникающие перенапряжения и скорость нарастания восстанавливающегося напряжения.

Практически это можно осуществить с помощью RС-цепей или комбинации RС-цепей с нелинейными ограничителями перенапряжений, действие которых рассмотрено на примере индивидуальной работы СПП (без последовательного соединения). Не претерпевает принципиальных изменений и методика выбора параметров защитных цепей, хотя диапазон изменения этих параметров несколько сужается из-за влияния дополнительных факторов, рассмотренных ниже.

Исследования показывают, что наиболее тяжелые условия работы в отношении воздействия напряжения на СПП возникают в интервале обратного восстановления.

Рисунок 4.6 − Характеристика восстановления запирающей

способности последовательно соединенных СПП

Исходя из условия выравнивания распределения напряжения по приборам в этом режиме, емкость конденсатора в микрофарадах демпфирующей цепи ориентировочно можно рассчитать по формуле

,

где ΔQ_r ─ возможная разность зарядов восстановления у последовательно включенных приборов, Кл. Остальные обозначения те же, что и в формуле (3.9).

Как и в силовых блоках аппаратов низкого напряжения, для демпфирования колебаний восстанавливающегося напряжения последовательно с конденсаторами должны быть включены резисторы. Конкретные значения сопротивлений резисторов определяются из условия обеспечения требований к ограничению максимального восстанавливающегося напряжения и скорости его нарастания. При последовательном соединении СПП необходимо считаться еще с одним обстоятельством, существенно влияющим на выбор сопротивления резисторов.

Дело в том, что в отключенном состоянии аппарата конденсаторы RС-цепей периодически (с частотой сети) перезаряжаются практически до амплитудного значения напряжения, равного U_m/n_U. Если включение аппарата происходит при напряжении на конденсаторах, близком к амплитудному значению, ток разрядки их может вызвать повреждение включающихся первыми тиристоров из-за эффекта (di_T/dt)_crit. В аппаратах низкого напряжения, содержащих только по одному тиристору для каждого направления тока, такая опасность существует в случае, если сопротивление коммутируемой цепи намного превышает сопротивление резистора защитной цепи, что встречается крайне редко.

При последовательном соединении достаточно большого числа СПП в высоковольтных блоках (n_U > 5) из-за неодновременности включения тиристоров такая ситуация возникает при каждом включении аппарата. Действительно, включение одного из тиристоров создает условия для разрядки подсоединенного параллельно ему конденсатора. Влияние источника питания на разрядку конденсатора при этом минимальное, так как общее сопротивление других (n_U -1) RС-цепей в нагрузки остается достаточно большим. Поэтому можно считать, что процесс разрядки конденсатора происходит в соответствии с выражением.

,

где U= U_m/n_U.

Согласно этому выражению ток в начальный момент изменяется от нуля до U/R. Это значит, что при использовании в силовых блоках тиристоров с повторяющимся напряжением 4 кВ и резисторов в защитных цепях с сопротивлением, например, 20 Ом, ток разрядки конденсатора мгновенно достигает 200 А. В действительности скорость нарастания тока разрядки конденсатора имеет конечное значение, так как элементы защитной цепи и соединительные провода обладают собственной индуктивностью. Но все же она остается достаточно высокой и может привести к повреждению низкочастотных тиристоров. Поэтому при выборе параметров RС-цепей необходимо производить проверку на допустимость di_T/dt и в случае необходимости ограничивать энергию, рассеиваемую в тиристорах при разрядке конденсатора, за счет увеличения сопротивления резистора.