Лекция № 3 «Элементная база полупроводниковых преобразователей»

Наибольшее распространение в составе силовых ПП нашли диоды, транзисторы и тиристоры.

Вопрос № 19. Назначение , виды, состав и применение полупроводниковых тиристоров?.

Тиристор является многослойным полупроводниковым прибором, обладающий двумя устойчивыми состояниями с высоким сопротивлением (закрытое состояние) и с низким сопротивлением (открытое состояние).

По способу управления тиристоры делятся на:

- обычные,

-фототиристоры и

-оптотиристоры.

Тиристоры управляются внешним электрическим сигналом по управляющему электроду,

фототиристоры - с помощью внешнего светового сигнала, оптотиристоры - с помощью внутреннего светового сигнала от светодиода, встроенного в корпус тиристора.

Фототиристоры и оптотиристоры менее чувствительны к электромагнитным помехам.

Рис. 9.3. Условные обозначения полупроводниковых вентилей: а - диод; б — однооперационный тиристор; в - двухоперационный тиристор; г - биполярный транзистор

Тиристоры могут быть однооперационными (незапираемыми) и двух-операционными (запираемыми).

В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тири­стора, в двухоперационных тиристорах - отпирание и запирание тиристора.

Условные обозначения полупроводниковых вентилей представлены на рис. 9.3.

Помимо тиристоров и диодов широкое применение в силовой преобра­зовательной технике нашли транзисторы.

Вопрос № 20. Назначение , виды, состав и применение полупроводниковых транзисторов?.

Транзистор является полностью управляемым полупроводниковым прибором, который обладает свойствами усиления электрических сигналов.

Основными режимами работы транзисторов являются: режим насыще­ния (большой ток и малое напряжение), режим отсечки (малый ток и боль­шое напряжение) и активный режим.

В силовой преобразовательной техни­ке транзисторы работают только в ключевом режиме, то есть находятся в состоянии насыщения или отсечки.

Среди транзисторов наибольшее распространение нашли биполярные транзисторы

Однооперационные тиристоры и биполярные транзисторы охватывают практически весь диапазон мощностей судовой силовой преоб­разовательной техники.

Однако им присущ ряд недостатков, среди которых следует отметить: неполная управляемость и низкая рабочая частота у од­нооперационных тиристоров, значительная мощность управления и низкая надежность у биполярных транзисторов.

В связи с этим, помимо традици­онно применяемых однооперационных тиристоров и биполярных транзи­сторов все большее распространение находят двухоперационные тиристо­ры, в том числе с полевым управлением, а так же полевые и гибридные транзисторы.

Вопрос № 21. Основные виды отказов полупроводниковых вентилей?.

К основным видам отказов полупроводниковых вентилей следует отнести:

- электрический пробой;

- тепловой пробой;

- потеря управляющей способности;

- механические повреждения.

Электрический пробой наступает при приложении к вентилю напряже­ния, превышающего допустимое значение по амплитуде и

продолжитель­ности. Электрический пробой является обратимым, т.е. после снятия напряжения вентиль восстанавливает запирающие свойства.

Тепловой пробой наступает при токе, превышающем допустимую величину или нарушении режима охлаждения и является необратимым. Превышение критического значения скорости нарастания тока у тиристоров так же вызывает местный перегрев полупроводниковой структуры и тепловой пробой.

Потеря управляющей способности тиристоров характеризуется само произвольным переключением в проводящее состояние при отсутствии управляющего импульса.

Причиной этого является превышение приложенного к вентилю прямого напряжения или превышение критического значения скорости нарастания напряжения. Потеря управляющей способности может произойти и при превышении допустимой температуры структуры тиристора, которая приводит к снижению напряжения переключении. Самопроизвольное переключение тиристоров может наступить при снижении сигнала управления, наличии помех, старении прибора.

В процессе эксплуатации происходит старение вентилей, что приводит к изменению параметров, таких как напряжение переключения, критические значения скорости нарастания напряжения или тока, уменьшение напряжения и тока управления, увеличение обратного тока и тока утечки, падения напряжения. Старение обусловлено главным образом нарушением теплового режима структуры вентиля или скрытыми дефектами. В послед нем случае изменение параметров проявляется в начальный период эксплуатации полупроводникового прибора.

В процессе эксплуатации ПП возможны отказы, вызванные чисто механическими повреждениями, такими как обрыв управляющего электрода, нарушение пайки и т.д. Вследствие низких значений максимальной допус­тимой рабочей температуры перегрузочная способность полупроводниковых вентилей ограничена десятыми долями секунд.

Вопрос № 22. Способы и схемы групповых соединений полупроводниковых вентилей и распределение токов , напряжения и сопротивлений между ними.?.

Для уменьшения вероятности электрического и теплового пробоя в ПП применяют последовательное или параллельное соединение полупроводни­ковых вентилей (рис. 9.4)

Рис. 9.4. Способы соединений полупроводниковых вентилей: а — последовательное соединение; б — параллельное соединение

Последовательное соединение вентилей применяется в случае, когда в процессе эксплуатации к вентилю может быть приложено напряжение, пре­вышающее номинальное значение. В судовой сети всплеск напряжения может, в частности, возникнуть при отключении электропотребителей.

При последовательном соединении полупроводниковых вентилей не­обходимо обеспечить равномерное распределение напряжения между ними.

На практике, из-за разброса вольтамперных характеристик, некоторые включенные последовательно вентили, могут перегружаться по напряже­нию (рис. 9.5).

U1 U2

Рис. 9.5. Вольтамперные характеристики тиристоров, включенных последовательно

Неравномерное распределение напряжения имеет место и при комму­тации вентилей.

При отпирании последнего вентиля силовой схемы к нему прикладывается полное напряжение. При запирании полное напряжение прикладывается к вентилю, первым восстановившему запирающие свойст­ва. При этом возможно его самопроизвольное включение.

Для выравнива­ния напряжения в установившихся и переходных режимах применяются шунтирующие конденсаторы и RC-цепочки, которые включаются парал­лельно вентилю.

Параллельное соединение вентилей необходимо, если ток превышает допустимую величину.

В связи с тем, что вольтамперные характеристики

полупроводниковых вентилей имеют статический разброс, равенства пол­ных сопротивлений ветвей практически не существует. В динамических режимах полупроводниковый вентиль, имеющий меньшее время включе­ния, воспринимает весь ток цепи, что может привести к тепловому пробою.

При параллельном соединении вентилей необходимо обеспечить равно­мерное распределение тока между параллельными ветвями в статических и переходных режимах, в том числе и при возникновении аварийной ситуа­ции. В нормальных эксплуатационных режимах допускается неравномер­ность распределения тока в параллельных ветвях не более 10 %.

Для равномерного распределения тока в параллельных цепях приме­няют следующие методы:

- подбор вентилей с близкими вольтамперными характеристиками;

- включение последовательно с каждым вентилем выравнивающих сопротивлений;

- применение индуктивных делителей тока.

На практике часто применяют групповое соединение вентилей, кото­рое не только ограничивает величину тока и напряжения в ветвях, но и повышает надежность ПП.

В преобразователях применяется параллельно-последовательное и последовательно-параллельное соединение вентилей

с выравнивающими сопротивлениями (рис. 9.6).

Разброс электрических и тепловых параметров полупроводниковых вентилей снижает эффективность групповых соединений, увеличивая поте­ри в ПП.

Рис. 9.6. Схемы групповых соединений полупроводниковых вентилей: а - параллельно-последовательное; б- последовательно-параллельное; в - последо­вательно-параллельное соединение с выравнивающими сопротивлениями 32эм10.10.14г.31ЭМ/34эм

Лекция № 4

Неуправляемые и управляемые полупроводниковые выпрямители, однофазные и трехфазные, их основные элементы, устройство и принцип работы. Схемы с нулевой точкой трансформатора и мостовая. Область применения.

1. Выпрямители. Общие сведения. Структурная схема.

Выпрямители предназначаются для преобразования переменного напряжения в напряжение одной полярности (однонаправленное, выпрямленное).

Электрическая энергия вырабатывается и распределяется, как правило, на переменном токе, но значительная ее доля потребляется при использовании постоянного тока (электролиз, электропривод и т.д.), получаемые с помощью выпрямителей. Кроме того, выпрямители применяются как промежуточные звенья в преобразователях переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (например, в блоках питания компьютеров).

В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают однофазные и многофазные выпрямители, причем из последних наиболее широко используются трехфазные.

Выпрямители на диодах называют неуправляемыми, а содержащие управляемые силовые приборы – управляемыми.

Рис. 1 Структурная схема выпрямительного устройства

Выпрямительное устройство (Рис.1) состоит из основных узлов: трансформатора, схемы выпрямления и сглаживающего фильтра, а также стабилизатора напряжения.

Трансформатор в схеме выпрямления предназначен для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя. Кроме этого трансформатор устраняет непосредственную электрическую связь цепи выпрямленного тока с питающей сетью, что необходимо, в случае если один полюс нагрузки заземлен или соединен с корпусом устройства.

Комплект вентилей осуществляет процесс выпрямления. Он может состоять из одного или нескольких вентилей, соединенных по определенной схеме.

Сглаживающий фильтр предназначен для ослабления пульсаций, то есть для уменьшения переменных составляющих, содержащихся в спектре выпрямленного напряжения. Сглаживающий фильтр наиболее часто состоит из индуктивных и емкостных элементов, соединяемых по определенной схеме.

Помимо элементов показанных на структурной схеме, выпрямитель может содержать стабилизатор напряжения (или тока), который поддерживает напряжение (или ток) постоянным, с определенной степенью точности при измерениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки. Выпрямительное устройство может также выполнять функции регулятора напряжения и содержать устройства контроля, коммутации, защиты и др.