Глава 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ И УСЛОВИЙ ИХ ОХЛАЖДЕНИЯ

3.1. РЕЖИМЫ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ

Под режимом и условиями работы СПП понимают сочетание воздействующих на прибор по всем его параметрам факторов, определяющих параметры состояния прибора (температуру полупроводниковой структуры и других элементов конструкции, значение и градиент напряженности электрического поля, механические напряжения элементов конструкции, тепловые и электрические сопротивления как элементов конструкции, так и контактов между ними).

Режим и условия работы СПП в преобразовательном устройстве (ПУ) определяются схемой и параметрами ПУ, его конструкцией, параметрами и характеристиками элементов схемы устройства, режимом работы и параметрами питающей сети и нагрузки ПУ, а также влиянием внешних факторов, например температурой охлаждающей среды.

Многообразие режимов работы СПП в схемах ПУ [3.1] можно классифицировать с учетом специфики влияния того или иного режима на состояние СПП и на подход к выбору его типономинала, удовлетворяющего предъявляемым требованиям. Обычно в этом плане рассматривают следующие виды режимов работы СПП:

Стационарный - длительный режим работы СПП при неизменном или изменяющемся в ограниченных пределах (до 20%) токе (среднее и действующее значения прямого тока для диодов и тока в открытом состоянии для тиристоров) и неизменном или изменяющемся в тех же пределах амплитудном значении прикладываемого к СПП напряжения. В стационарном режиме работы состояние СПП определяется в основном максимальным значением эквивалентной температуры его полупроводниковой структуры;

повторно-кратковременный режим работы СПП при дискретно изменяющемся от нуля до максимума токе (среднее и действующее значения прямого тока диода и тока в открытом состоянии тиристора) и при неизменном или изменяющемся амплитудном значении прикладываемого к СПП напряжения.

При повторно-кратковременном режиме работы состояние СПП определяется в основном максимальным значением эквивалентной, температуры его полупроводниковой структуры, диапазоном изменения этой температуры при переходе от одной загрузки СПП по току к другой и числом таких переходов. Повторно-кратковременный режим, как правило, имеет циклический характер;

импульсный — режим работы СПП при нагрузке его кратковременными импульсами тока большой скважности, когда состояние СПП определяется мгновенным значением температуры его полупроводниковой структуры и локальным перегревом горячих точек;

ждущий — длительный режим работы СПП при приложении к нему постоянного или переменного анодного напряжения в непроводящем состоянии без переключения СПП в проводящее состояние. В ждущем режиме состояние СПП в основном определяется локальным перегревом полупроводниковой структуры током утечки при приложении обратного напряжения и током закрытого состояния при приложении прямого напряжения к тиристору в закрытом состоянии.

За длительный режим работы СПП принимают режим, когда время прохождения тока через него больше или равно времени , необходимому для достижения его полупроводниковой структурой максимальной температуры при определенных токе и условиях охлаждения.

Рекомендуемые значения при естественном охлаждении — с; при принудительном охлаждении и скорости охлаждающей среды и при с.

Повторно-кратковременный режим работы СПП имеет место, когда время прохождения тока через него меньше и время паузы также меньше .

Импульсный режим работы СПП имеет место, когда время прохождения через прибор тока меньше , а время паузы больше .

Кроме того, при анализе режима работы СПП в схеме ПУ следует различать рабочий и аварийный режимы работы прибора:

рабочий режим — режим работы СПП, обусловленный нормальным режимом работы схемы ПУ при номинальных (с учетом допустимых отклонений) параметрах питающей сети и нагрузки;

аварийный режим — режим работы СПП, обусловленный аварийными условиями работы питающей сети, ПУ или его нагрузки, возникающий ограниченное число раз за срок службы.

Необходимость рассмотрения рабочего и аварийного режимов работы СПП обусловлена тем, что, с одной стороны, каждый из этих режимов характеризуется своим сочетанием воздействующих на СПП факторов, а с другой стороны — свойства и способности СПП описываются в этих режимах разными параметрами и характеристиками.

Следует иметь в виду, что значения воздействующих на СПП факторов в аварийном режиме работы ПУ определяются не только процессами, происходящими в питающей сети, схеме ПУ и цепи нагрузки, но действием и параметрами элементов устройств ограничения этих воздействий. Таким образом, факторы, воздействующие на СПП по тем или иным его параметрам, как правило, могут быть с помощью ограничительных (защитных) устройств в аварийном режиме ограничены до заданного уровня.

В противоположность аварийному режиму в рабочем режиме работы ПУ уровни воздействующих на прибор факторов определяются только параметрами и режимом работы питающей сети, схемы ПУ, его нагрузки и не могут быть ограничены.

В связи с тем что состояние СПП, его работоспособность и надежность зависят от температуры его полупроводниковой структуры, градиента температуры, диапазона и скорости ее изменения, напряженности и градиента электрического поля полупроводниковой структуры и изоляционных промежутков конструкции прибора, а также от значения и характера механических и климатических воздействий на элементы конструкции СПП, то при выборе типономинала СПП для применения в схеме ПУ в качестве исходных должны быть учтены все воздействующие факторы, непосредственно или косвенно влияющие на СПП по всем его параметрам.

Температура полупроводниковой структуры СПП, скорость и диапазон ее изменения, а также температура корпуса СПП определяются мощностью, рассеиваемой в полупроводниковой структуре и элементах конструкции СПП, зоной выделения потерь, зависимостью мощности потерь от времени, тепловыми сопротивлениями элементов конструкции СПП и условиями его охлаждения. В то же время потери в полупроводниковой структуре зависят от формы, значения и частоты анодного тока СПП и приложенного к нему напряжения в проводящем и непроводящем состоянии, а также на интервалах переключения из проводящего состояния в непроводящее и наоборот.

Напряженность и градиент напряженности электрического поля в полупроводниковой структуре и изоляционных промежутках конструкции СПП определяются значением и формой прикладываемого к нему напряжения, а также значением и формой тока, протекающего через СПП непосредственно перед приложением к нему напряжения.

Значения и характер механических и климатических воздействий на СПП определяются уровнями механических и климатических воздействий на ПУ и его конструкцией, а также уровнями механических воздействий на элементы конструкции СПП, вызываемыми изменениями окружающей температуры, особенностями монтажа и условий его охлаждения.