книги из ГПНТБ / Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока

j=o,z

3 5 ^

3/

значений у (рис. 1-28, а). Очевидно, что расчет потерь мощности в транзисто­ рах ШИП С fi = const следует ВЫПОЛНЯТЬ ДЛЯ НагруЗКИ / н = / с = / с р . макс при V = Ут = 0,5.

/ = ( l - Y ) / ' n = ( l - Y ) / M a K c

При этом относительные потери переключения

Кривые ka (Y) при a = const нанесены на рис. 1:28, а штриховыми линиями.

переключение, которые изменяются почти пропорционально частоте коммута­ ции, -см, (1-98), (1-101).

Соответственно из соотношений (1-90), (1-92), и (1-101) для симметричной реверсивной системы (Уо = 0,5) получим

и формулами суммарных добавочных потерь (1-102) и (1-102, а), нетрудно опре­ делить оптимальные в отношении дополнительных потерь мощности коэффи­ циент нагрузки и частоту коммутации [28]:

сообразно применять лишь в ШИП малой мощности. Схема управления сило­ выми транзисторами в этом случае проще, но энергетические показатели гораздо хуже, чем в системах с ШИП с несимметричным законом переключения.

Г-лав а в торая

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТА ТИРИСТОРНЫХ ШИП ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2-1. Тиристоры как переключающие элементы широтно-импульсных преобразователей

Отсутствие высоковольтных транзисторов и двухоперационных тиристоров ограничивает область применения ШИП на полностью управляемых полупроводниковых приборах системами малой мощ­ ности (до нескольких сотен ватт). Увеличение мощности ШИП стало возможным с появлением тиристоров. В настоящее время выпускаются тиристоры на токи от единиц до сотен ампер и максимальные прямые и обратные напряжения до 1 кв. Это позволяет создавать широтно-' импульсные преобразователи без применения последовательно-па­ раллельного соединения тиристоров на выходные мощности до 300 кет.

Основные свойства и характеристики тиристоров. Тиристоры представляют собой однооперационные полупроводниковые приборы на базе четырехслойной кремниевой р—п—р—п-структуры (рис. 2-1). При подаче прямого напряжения на тиристор (рис. 2-1, а) все напряжение прикладывается к центральному пе­ реходу Я а , эмиттерные же переходы Пі и П3 смещены в прямом направлении. Если на тиристор действует обратное (отрицательное) напряжение, то переходы

невелико (единицы вольт), и практически все обратное напряжение приклады­ вается к переходу П1.

Величины допустимых прямых и обратных напряжений на тиристоре, при которых он остается запертым, зависят от закона изменения напряжения, прежде всего от скорости его изменения du/dt, и от состояния управляющей цепи. Допустимое прямое напряжение снижается при отключенном управляю­ щем электроде, если оно прикладывается с большой скоростью (эффект du/dt). Обратное смещение на управляющем электроде приводит к увеличению допу­ стимых скоростей нарастания прямого напряжения на тиристоре и к повышению

стор может включиться без подачи управляющего сигнала, соответствующее

особое влияние на надежность и экономичность работы ШИП оказывают динамические свойства тиристоров, характеризующие их поведение при высо­ ких скоростях изменения напряжения анод—катод и токов в анодной цепи. Для правильного проектирования управляющих и силовых цепей тиристорных ШИП недостаточно располагать лишь паспортными данными и статическими характеристиками тиристоров.

Важное значение имеют процессы переключения и сопутствующие им по­ тери мощности в приборе, зависимость времени восстановления запирающих свойств структуры от условий коммутации и зависимость напряжения переклю­ чения от скорости изменения напряжения на тиристоре.

Процесс отпирания тиристора и потери мощности при включении. Отпира­ ние тиристора производится подачей положительного импульса тока / у в цепь управления (рис. 2-2, а). Для четкого фиксирования момента включения ток управления должен иметь достаточно крутой передний фронт, а его максималь­ ное значение должно в 2—5 раз превышать минимальный ток управления, не-- обходимый для включения структуры. Процесс включения состоит из трех эта­ пов: интервал задержки t£, интервал нарастания тока tH и интервал распростра­ нения зоны проводимости структуры — этап установления tp (рис. 2-2, б). Время включения тиристора определяется как сумма первых двух временных интервалов tBKJI — t3 + tH. Время задержки связано с накоплением некото­ рого критического заряда в базах структуры, необходимого для начала лавино­ образного процесса включения. На протяжении интервала t3 напряжение на тиристоре изменяется от максимального анодного напряжения U до 0,9 U, а ток в случае активной нагрузки возрастает до 0,1 своего максимального значе­

иую цепь включают дросселе насыщения L„, сердечник которого обладает пря­ моугольной петлей гистерезиса. К моменту включения тиристора дроссель дол­ жен быть размагничен. После включения тиристора в течение времени перема­ гничивания сердечника tn = 5 -s- 15 мксек ток в анодной цепи удерживается равным току перемагничивания дросселя / п . Таким образом, на этапе нараста­ ния ток в тиристоре остается сравнительно небольшим, и потери мощности р в к л существенно уменьшаются (рис. 2-2, в, кривая 2). Как показали исследования [81 ] , пиковая мощность Р в к л . м уменьшается интенсивно с увеличением задержки їп от 0 до 5 мксек. Дальнейшее увеличение времени перемагничивания значи­ тельно слабее влияет на величину потерь при включении. Выбор слишком ма­ лой величины тока на интервале перемагничивания / „ приводит к замедлению распространения области включения перехода, так как при плотности тока

Рис. 2-3

в структуре менее 2 а/смг область включения остается локализованной. Для по­

На интервале задержки t3 и в начале интервала нарастания tH ток во внеш­ ней цепи изменяется в соответствии с переходной характеристикой тиристора. Таким образом, участок OA кривой тока определяется электрофизическими па­ раметрами структуры и током управления тиристора (рис. 2-3). В точке А ско­ рость изменения синусоидального тока і = I m sinco0<, который стремится сфор­ мировать внешняя колебательная цепь, и скорость изменения тока в тиристоре

іIt

іТ я Iae а станут равными. На следующем этапе dir/dt > dildt и ток будет формироваться внешней цепью, изменяясь по синусоидальному закону. На на­ чальном участке синусоиды ток можно считать изменяющимся по линейному закону, і « Im®ot. Приравняв производные токов г'т и і, можно найти времен­ ной интервал tj[, после которого ток в тиристоре будет определяться парамет­ рами нагрузки (рис. 2-3):

Таким образом, инерционность процесса включения тиристора вызывает некоторый сдвиг по фазе полусинусоидального импульса тока во внешней цепи—

на угол а„ = а>0£0 и искажение его формы на начальном участке OA. По мере уменьшения угловой частоты контура нагрузки <в„ или амплитуды синусоидаль­

При этом условие (1-6) обычно выполняется. Это позволяет при расчете комму­

растания tH в случае анодного тока в виде полуволны синусоиды зависят от

В некоторых схемах ШИП коммутирующие дроссели вынесены из силовой цепи, а нагрузка, имеющая активно-индуктивный характер, шунтирована дио­ дом Д1 (см. рис. 2-11). В этом случае закон изменения тока во включающемся тиристоре 77 на этапе t > определяется паразитными параметрами — индуктивностями электродов и соединительных проводов и емкостью перехода

тельно с тиристором необходимо включить дроссель насыщения (см. рис. 2-11);

область площади эмиттера, расположенная вблизи управляющего электрода. На последнем этапе включения (интервале установления, или распространения, <р ) процесс включения распространяется на всю эффективную площадь структуры. Скорость увеличения рабочей площади структуры v может составлять несколько десятых мм/мксек. При высоких скоростях изменения анодного тока diT/dt ко­ нечная скорость распространения процесса включения приводит к повышен­ ным плотностям тока в первоначально включившихся областях и к локальным перегревам перехода.

При критическом значении скорости нарастания тока в тиристоре (dir/dt)Kp происходит прожигание области эмиттерного перехода, граничащей с управ­ ляющим электродом. Критическое значение diT/dt тем больше, чем больше ско­ рость распространения процесса включения и чем больше величина первона­ чально включившейся области эмиттера. При малой плотности тока процесс распространения проводящей площади замедляется. Поэтому степень однород­ ности процесса включения зависит от величины тока через тиристор на этапе установления, а также от геометрии управляющего электрода и мощности уп­ равляющего импульса. При выборе типа тиристора следует учитывать, что наи­ большие критические скорости изменения тока характерны для приборов с коль­ цевым управляющим электродом, в которых первоначально включающаяся

площадь эмиттера больше, чем в тиристорах - с боковым управляющим элек­ тродом.

Большие падения напряжения на тиристоре и плотности тока приводят к повышенным потерям включения на этапе установления.

в прямом направлении, и обе базы тиристора, а также эмиттерные области со­ держат избыток носителей заряда (кривые t = 0 на рис. 2-4, б). Для того чтобы тиристор перевести в запертое состояние, концентрация избыточных носителей зарядов в базовых областях должна быть уменьшена до весьма малой величины за счет действия электрического поля и процесса рекомбинации. Это может быть достигнуто, если на определенное время уменьшить ток в тиристоре до значений, меньших удерживающего тока / у д , или изменить на обратную поляр­ ность напряжения, действующего на тиристоре.

Рис. 2-4

При приложении к тиристору обратного напряжения ток в нем уменьшается, а затем изменяет свое направление (рис. 2-4, а). Запирание тиристора начинается в момент времени, когда ток в нем достигает нулевого значения, t = t_. Рас­ пределение концентраций носителей заряда к этому моменту, а следовательно, и время, необходимое для исчезновения избыточных зарядов в базах, будет за­

рые смещаются в обратном направлении при изменении полярности напряже­