4.2.4. Расчет параметров защитных элементов преобразователя
Из-за разброса вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов напряжение на последовательно соединенных приборах распределяется неравномерно. Для выравнивания напряжений применяется делитель напряжения на резисторах, то есть параллельно каждому прибору соединяется шунтирующий резистор RШ. Расчет сопротивлений RШ выполняется для наихудшего условия работы приборов, то есть к последовательно соединенным приборам во время их непроводящего состояния прикладывается максимально возможное напряжение, у одного из последовательно соединенных приборов принимается обратный ток равным нулю, а у остальных – наибольшим Iо = 40 мА.
Сопротивление шунтирующих резисторов для группы последовательно соединенных тиристоров можно рассчитать по формуле
По таблице 2.7 стандартных номинальных сопротивлений резисторов, которые изготавливаются заводами, выбирается меньшее стандартное ближайшее сопротивление.
В курсовом проекте даны лавинные диоды ДЛ, которые допускают кратковременные перегрузки по обратному напряжению и восстанавливают вентильные свойства после электрического пробоя, поэтому при последовательном их соединении шунтирующие резисторы можно не применять. Для диодов с нелавинным характером электрического пробоя шунтирующие резисторы нужны.
Во время переходных процессов, возникающих при коммутации приборов, шунтирующие резисторы могут не обеспечить равномерное распределение напряжения на последовательно соединенных приборах. При переходе прибора в непроводящее состояние смещение p-n перехода в обратном направлении происходит за определенное время, в течение которого через прибор протекает обратный ток, постепенно снижающийся до значения, определяемого статической вольтамперной характеристикой. Полный заряд, созданный в приборе при переключении p-n перехода с прямого на обратное смещение называется зарядом восстановления прибора QВ. Из-за различных значений QV у последовательно соединенных приборов нарастание обратных напряжений на них будет происходить с разными скоростями, что может привести к недопустимым перенапряжениям на приборах с наименьшим QV.
Для выравнивания и ограничения скоростей нарастания обратного напряжения параллельно приборам включают демпфирующие RC цепочки (снабберные). Емкость конденсатора так же, как и RШ, рассчитывают для наихудших условий работы приборов:
По таблице 2.7 стандартных номинальных значений емкости конденсаторов, которые изготавливаются заводами, выбирается большая стандартная ближайшая емкость.
Последовательно с демпфирующим конденсатором СД включается демпфирующий резистор RД, который ограничивает максимальный ток перезаряда СД. Сопротивление резистора RД обычно выбирают в пределах 30-50 Ом. Наличие резистора RД вызывает повышение du/dt на приборах, поэтому он шунтируется диодом VDД с IП = 10А и высокой скоростью восстановления запирающих свойств p-n перехода.
Индуктивность дросселя LC, включенного последовательно с группой тиристоров, выполняющих функции VS1.
При отпирании тиристоров ток в них может изменятся скачком от нуля до IН. Такой режим недопустим, так как приведет к повреждению тиристора. При подаче импульса управления проводящая зона образуется сначала вблизи управляющего электрода и затем распространяется на весь p-n переход. При высокой скорости нарастания анодного тока на небольшом участке p-n перехода вблизи управляющего электрода создается высокая плотность тока, и в этом месте электронная структура может прожигаться.
Завод изготавливает группы тиристоров с различной нормируемой критической скоростью нарастания тока (di/dt)кр. Для тиристоров в курсовом проекте (di/dt)кр = 80 А/мкС. Скорость нарастания тока в процессе эксплуатации тиристоров должна быть меньше критической скорости, указанной заводом. Необходимый темп нарастания тока можно обеспечивать с помощью дросселя LC, который включается последовательно с тиристорами. Скорость нарастания тока при отпирании тиристора не будет превышать критическую, если индуктивность дросселя будет соответствовать условию:
Для группы тиристоров, выполняющих функцию VS2, при расчете LC принимается аV = 1.
Магнитопровод дросселя насыщения LC выполняется из магнитопровода с прямоугольной петлей гистерезиса и перемагничивается при практически постоянной напряженности магнитного поля, близкой к коэрцетивной силе НС.
Параметры W – число витков, S – сечение магнитопровода, lСР – средняя длина магнитных линий дросселей насыщения, включенных последовательно с группой тиристоров, выполняющих функции VS1 и VS2, рассчитываются по формулам:
где tзад = 2 – 3 мкС – время задержки тока нарастания тиристора;
НС = 20 – 40 А/м – напряженность магнитного поля в сердечнике дросселя;
К = lСР/S = 120 – 160 1/м – коэффициент, учитывающий соотношение длины магнитных силовых линий и сечения сердечника дросселя;
ΔB = 0,5 – 1,5 Тл – приращение магнитной индукции в сердечнике при насыщении;
I = аV ·(1 – 2) А – ток включения тиристора.
Число витков обмотки дросселя округляется до большего ближайшего целого числа.
При расчете параметров дросселя для VS2 принимается аV = 1.
Изобразить принципиальные электрические схемы групп полупроводниковых приборов, выполняющих функции VS1, VS2, VD1, VD2 с защитными элементами (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Пример группового соединения полупроводниковых приборов и защитных элементов