Материал: s_electro

Наличие трех уравнений связи между показателями свидетельствует о том, что из шести перечисленных показателей только три являются независимыми, а три других могут быть вычислены по приведенным уравнениям связи.

Числовые значения удельных показателей для российской элементной базы силовой электроники (вентили, трансформаторы, реакторы, конденсаторы) приведены в пособии [25]. Оценку массогабаритных и стоимостных показателей устройства можно сделать еще на стадии расчета электромагнитных параметров элементов схемы преобразователя, зная значения удельных конструктивных показателей элементов. Другой путь получения этих показателей – расчет их по конструктивным данным готовых преобразовательных агрегатов, приведенных в справочниках [13, 36, 37].

1.3. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Целью данного раздела является знакомство с электрическими параметрами элементов силовой электроники, из которых, в соответствии с принципиальной схемой вентильного преобразователя, конструируются конкретные устройства силовой электроники.

1.3.1. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Все рассмотренные преобразователи, изучаемые в курсе «Основы силовой электроники», выполняются на силовых полупроводниковых вентилях: неуправляемых (диодах) и управляемых (тиристоры, транзисторы). Управляемые вентили разделяются на два класса:

1) вентили с неполным управлением;

21

2) вентили с полным управлением.

1.3.1.1. Вентили с неполным управлением

Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что пере-

ход их из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен путем хотя бы кратковременного воздействия маломощным сигналом по цепи управления при условии наличия на вентиле прямого напряжения, т. е. напряжения такой полярности, при которой вентиль может пропускать ток через себя. Переход же вентиля из состояния «включено» в состояние «выключено», т. е. запирание вентиля и прекращение протекания прямого тока через него, возможно только при смене полярности напряжения на вентиле (обратное напряжение) по силовой цепи, а не в результате воздействия по цепи управления. Таким образом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включить воздействием по цепи управления, но невозможно выключить воздействием по управлению, а требуется сменить полярность напряжения на вентиле на обратную.

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что как включение, так и выключение (запирание) их возможно путем воздействия маломощными сигналами по цепи управления при наличии на вентиле прямого напряжения.

Главными представителями неполностью управляемых вентилей являются тиристоры – четырехслойные p-n-p-n – полупроводниковые приборы с анодом А (крайняя p-область), катодом К (крайняя n- область) и управляющим электродом УЭ (внутренняя область) и симисторы – пятислойные p-n-p-n-p – полупроводниковые приборы, которые можно представить в виде комбинации двух встречнопараллельно включенных четырехслойных (тиристорных) p-n-p-n – структур. На рис. 1.3.1 приведены схемное обозначение тиристора и его вольт-амперная характеристика. На рис. 1.3.2 показаны схемное обозначение симистора (симметричного тиристора, триака) и его вольт-амперная характеристика.

22

Основными параметрами тиристоров, определяющими возможности их использования в различных конкретных схемах преобразователей, являются следующие:

•среднее значение анодного тока тиристора Ia, по которому он маркируется заводом-изготовителем исходя из уровня допустимых потерь активной мощности (выделения тепла) в вентиле при прохождении прямого тока. Испытательный ток вентилей при их производстве имеет вид полуволны синусоиды в каждом периоде сетевого напряжения (50 Гц). При этом коэффициент амплитуды такого тока Ка

=π (отношение амплитуды тока к среднему значению), коэффициент формы Кф = π/2 (отношение действующего значения тока к среднему). Тиристоры выпускаются на средний ток от 1 А до нескольких тысяч ампер;

•ток удержания Iуд, минимальное значение прямого тока тиристора в случае отсутствия управления, когда тиристор еще остается проводящим. При снижении анодного тока ниже этого значения тиристор переходит в закрытое состояние;

•максимально допустимое прямое и обратное напряжения Umax

на вентиле, которое он должен выдерживать без пробоя. Маркируется

•время восстановления управляющих свойств тиристора tв, ко-

торое определяется как минимально необходимая продолжительность приложения к вентилю обратного напряжения (при его выключении) после прохождения прямого тока, в течение которого он восстанавливает свои запирающие свойства и к нему снова можно приложить максимальное прямое напряжение. Современные тиристоры имеют времена восстановления примерно от десяти микросекунд (для высокочастотных тиристоров) до двухсот микросекунд (для низкочастотных тиристоров);

•заряд восстановления тиристора Qв, полный заряд (накоплен-

ный в вентиле при прохождении прямого тока), вытекающий из вентиля при переходе его из состояния проводимости прямого тока в состояние появления на вентиле обратного напряжения;

•амплитуда обратного тока вентиля Ibmax, обусловленного выво-

дом заряда восстановления Qв из вентиля в момент спада до нуля прямого тока вентиля (при выключении) с определенной скоростью di/dt:

•предельная скорость нарастания прямого напряжения на вен-

тиле, при превышении которой возможно включение тиристора в прямом направлении даже при отсутствии управления из-за появления сигнала-помехи в цепи его управляющего электрода, «просачивающегося» через паразитную емкость между ним и анодом тиристора. Обычно эта скорость ограничена от ста до тысячи вольт в микросекунду для различных типов тиристоров;

•предельная скорость нарастания прямого тока тиристора при его включении, связанная с неоднородным распределением тока по площади p-n перехода тиристора, что может привести к локальному повреждению (прожиганию) p-n перехода. Обычно эта величина ограничивается изготовителем на уровне от нескольких десятков до нескольких сотен ампер в микросекунду;

•предельная частота импульсов прямого тока вентиля, до кото-

рой вентиль может работать без снижения допустимого среднего значения анодного тока. Для низкочастотных тиристоров и диодов эта величина равна 400 Гц, для высокочастотных – до 10…20 кГц;

•время включения tвкл и время выключения tвыкл полупроводнико-

вого вентиля характеризуют соответственно время перехода вентиля

24

из выключенного состояния во включенное и из включенного состояния в выключенное;

•параметры сигнала управления в цепи управляющего электрода тиристора, обеспечивающие его надежное включение: напряжение

управления Uуэ (несколько вольт), ток управления Iуэ (доли ампера),

скорость нарастания тока управления dIуэ/dt (1–2 А/мксек), минимальная длительность импульса управления (20…100 мксек). При этом мощность сигнала управления в тысячи раз меньше мощности, переключаемой тиристором в анодной цепи;

•напряжение отсечки спрямленной вольт-амперной характери-

стики вентиля в прямом направлении ∆U0 и его динамическое сопро-

тивление Rдин. На рис. 1.3.3 показаны реальная нелинейная и кусочнолинейная модельная (упрощенная) вольтамперные характеристики вентиля в прямом направлении. Значение напряжения отсечки для кремниевых вентилей равно около 1 В, значение динамического сопротивления обратно пропорционально номинальному среднему значению анодного

тока вентиля Iа и меняется в диапазоне от долей ома для маломощных тиристоров до тысячных долей ома для мощных тиристоров, имея порядок 1/Iа [Ом].

тивной мощности в вентиле при прохождении прямого тока, что вызывает разогрев полупроводниковой структуры;

• тепловое сопротивление вентиля характеризует его способность отводить тепло от места его выделения, т. е. p-n перехода, и определяется как отношение перепада температуры между двумя средами ∆Т на единицу рассеиваемой в вентиле мощности ∆Рв [град/Вт]. Значимы прежде всего три тепловых сопротивления вентиля: p-n переход – корпус вентиля Rnк, p-n переход – охладитель Rnо, p-n переход – окружающая среда Rnc. Разным способам охлаждения вентиля соответствуют разные тепловые сопротивления, через которые определяется предельная мощность потерь в вентиле (предельное среднее значение анодного тока вентиля), исходя из максимально допустимой температуры p-n перехода (для кремниевых диодов – 150 0С, для кремниевых тиристоров – 110…120 0С);

25