3.3. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ДИОДОВ И ТИРИСТОРОВ

Особенности параметров и характеристик диодов и тиристоров.

Перечень параметров и характеристик диодов и тиристоров, приводимых в информационных материалах и используемых при выборе СПП для применения в схеме ПУ, дан в [3.2]. Допустимое значение каждого предельного и характеризующего параметра, указанное в них, соответствует определенным оговоренным условиям.

Такие условия будем в дальнейшем называть классификационными, а значения параметров и характеристик — классификационными значениями.

При условиях работы СПП, отличающихся от классификационных, допустимые значения параметров могут существенно отличаться от классификационных значений.

Условия работы СПП в схеме ПУ, как правило, отличаются от классификационных, причем характер отличия таков, что допустимые значения параметров в этих условиях меньше классификационных значений.

Для примера рассмотрим качественные изменения допустимых значений некоторых параметров при условиях работы, отличающихся от классификационных. Количественные изменения допустимых параметров СПП в реальных условиях применения рассматриваются в гл. 4.

Допустимый средний ток в открытом состоянии прибора .

Для каждого СПП в информационых материалах задан ток при следующих классификационных условиях: форма тока — однополупериодная синусоидальная, угол проводимости . град, частота Гц, режим длительный, температура корпуса , например, 85° С.

В большинстве случаев СПП применяют в ПУ, выполненных по трехфазной мостовой схеме, и при этом форма тока несинусоидальная, угол проводимости . град, значение тока через СПП, усредненное по периоду питающего напряжения, не остается неизменным, условия охлаждения, как правило, хуже, чем в классификационном режиме, частота тока в ряде случаев больше .

Указанные отличия приводят к следующему.

При . град мощность потерь в СПП увеличивается за счет увеличения коммутационных потерь. Вследствие этого температура структуры при токе, равном классификационному, превысит допустимое значение . Поэтому ток должен быть уменьшен так, чтобы температура структуры не превышала

Зависимость тока частоты приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Частотная характеристика СПП: -классификационное значение тока

Из рисунка видно, что снижение допустимой нагрузки СПП имеет место и при уменьшении частоты . Это объясняется тем, что при неизменном среднем значении тока, равном классификационному, средняя температура структуры тйкже остается неизменной, но возрастают длительность и период Т протекания каждого импульса тока, а следовательно, и диапазон колебаний температуры структуры . Поэтому допустимый ток. СПП должен быть уменьшен так, чтобы наибольшая температура перехода СПП на интервале не превышала максимально допустимого значения .

При . град допустимый ток СПП уменьшается за счет увеличения доли . мошкости потерь, определяемой действующим значением тока через СПП (рис. 3.2). Так, при одном и том же среднем токе через СПП с уменьшением угла проводимости увеличивается амплитуда тока, и его действующее значение , а следовательно, увеличиваются полная мощность потерь в СПП и температура перехода

где Кф — коэффициент формы тока.

Рис. 3.2. Зависимость допустимого среднего тока от температуры корпуса и углов проводимости соответствует классификационной температуре корпуса , а — максимальной температуре структуры

При синусоидальной форме тока и, например, при , а при . град . При прямоугольной форме тока и , а при . град

Чтобы при этом не была превышена максимальная температура , допустимый средний ток СПП необходимо уменьшить по сравнению с его классификационным значением.

Из рис. 3.2 видно, что с ухудшением условий охлаждения СПП, т. е. с увеличением температуры его корпуса , допустимый ток также уменьшается, поскольку уменьшается допустимый перегрев структуры над температурой корпуса:

При прямоугольной форме тока его действующее значение несколько меньше, чем при синусоидальной форме, а следовательно, и доля потерь мощности, определяемая действующим током СПП, меньше. Поэтому при . град и прямоугольной форме тока при прочих равных условиях требуется несколько меньшее снижение тока по отношению к его классификационному значению.

На рис. 3.3 приведены зависимости амплитуды импульсов допустимого тока прибора от их длительности , при синусоидальной форме тока и при значениях частоты Гц. Эти зависимости имеют явно выраженные максимумы, т. е. с уменьшением длительности импульсов при данном значении допустимый ток вначале несколько возрастает, а затем падает. Уменьшение допустимого тока наступает при и связано с тем, что полупроводниковая структура СПП не успевает включиться по всей площади и мощность потерь концентрируется лишь во включенной части структуры. Отвод тепловых потерь также происходит только от включенной части, и поэтому тепловое сопротивление участка переход — корпус больше, чем при полностью включенной структуре. Все это приводит к локальному перегреву перехода и требует снижения допустимого тока.

Из кривых рис. 3.3 также видно, что при с ростом частоты допустимое значение тока уменьшается.

При трапецеидальной форме тока, и допустимый ток СПП уменьшается как с ростом частоты при неизменной скорости нарастания тока , так и с ростом при (рис. 3.4).

Уменьшение допустимого среднего тока по сравнению с классификационным значением в обоих случаях связано с увеличением коммутационных потерь в СПП.

При трапецеидальной форме тока, и с уменьшением угла проводимости . град) допустимый средний ток СПП также уменьшается.

Рис. 3.3. Зависимость допустимой амплитуды импульсов тока синусоидальной формы от длительности импульсов и частоты (масштаб по осям логарифмический)

Рис. 3.4. Зависимость допустимой амплитуды импульсов тока трапецеидальной формы от скорости изменения анодного тока и частоты (масштаб по осям логарифмический)

В эксплуатации возможны режимы перегрузки, когда ток СПП непродолжительное время превышает допустимое при неизменной нагрузке значение тока. В этом случае ток СПП на интервалах, предшествующих перегрузке, должен быть меньше допустимого тока при неизменной нагрузке настолько, чтобы в момент окончания перегрузки температура перехода не превышала бы .

На рис. 3.5 показана зависимость амплитуды допустимого тока рабочей перегрузки от длительности перегрузки при разных значениях коэффициента предшествующей нагрузки К, который равен отношению среднего тока, предшествующего перегрузке, к максимально допустимому среднему току СПП при принятых условиях охлаждения.

В импульсных режимах с большой скважностью тока нагрузки допустимое среднее значение тока СПП может быть во много раз меньше его классификационного значения. Степень уменьшения тока определяется из условия, что наибольшая температура перехода на интервалах протекания импульса тока не должна превышать допустимое значение .

При циклическом характере изменения тока нагрузки фактором, ограничивающим ток, наряду с температурой перехода Т: становится допустимое число температурных циклов работы СПП за срок службы. На рис. 3.6 приведена зависимость от диапазона изменения температуры перехода . Из условия обеспечения циклостойкости СПП допустимый средний ток приходится иногда снижать довольно значительно.

Рис. 3.5. Зависимость допустимой амплитуды тока рабочей перегрузки от длительности перегрузки и коэффициента предшествующей нагрузки К: (масштаб по оси абсцисс логарифмический)

Рис. 3.6. Зависимость допустимого числа циклов от изменения температуры перехода при циклической токовой нагрузке. Масштаб по оси логарифмический

Фактором, ограничивающим нагрузку СПП в рабочем режиме, может служить также значение аварийного тока в схеме ПУ. Это связано с тем, что при мощности питающей сети, соответствующей мощности ПУ, отношение амплитуды аварийного тока в такой сети к классификационному току СПП может достигать 45 и более, в то время как допустимое значение этого отношения для современных СПП, указываемое в информационных материалах, не превышает 30. Из этого следует, что выбирать СПП следует так, чтобы классификационное значение среднего тока СПП было больше среднего тока нагрузки.

Во многих случаях на СПП могут воздействовать одновременно несколько из рассмотренных факторов. Уменьшение допустимого тока СПП по сравнению с его классификационным значением должно соответствовать результирующему эффекту от всех одновременно действующих факторов.

Рассмотренные факторы, ограничивающие допустимый ток нагрузки СПП, не могут быть произвольно изменены, так как определяются либо значением и характером тока нагрузки ПУ, либо параметрами питающей сети, либо заданными условиями охлаждения.

Такие воздействующие факторы относятся к основным, и единственный путь их учета — это выбор СПП с классификационным током достаточного значения.

Ударный неповторяющийся прямой ток ().

В информационных материалах для аварийного режима СПП задана максимально допустимая амплитуда ударного тока, соответствующая, в частности, условиям, когда импульс аварийного тока имеет синусоидальную форму, а длительность импульса .

В большинстве случаев применения СПП импульсы аварийного тока в схеме имеют форму, отличающуюся от синусоидальной, а длительность импульса . Такое отличие приводит к тому, что допустимое значение аварийного тока СПП меньше его классификационного значения,

При протекании через неповрежденный СПП импульса допустимого аварийного тока без последующего приложения обратного напряжения плотность тока в структуре может достигать 1000—2000 А/см2, а температура перехода 400— 450° С. Полупроводниковая структура СПП при этом не разрушается, однако ее свойства ухудшаются вследствие деградации.

Поэтому протекание аварийного тока через СПП допускается ограниченное число раз за срок службы. Отсюда следует, что при разработке ПУ недопустимо предусматривать возможность достижения рабочим током значения допустимого ударного неповторяющегося тока.

Пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление в открытом состоянии. Пороговым напряжением считается численное значение напряжения в точке В (рис. 3.7) пересечения с осью абсцисс прямой, проходящей через точки ВАХ С и D с ординатами

Дифференциальное сопротивление определяется по формуле:

для диодов

для тиристоров

где — импульсное прямое напряжение диода и тиристора соответственно при токе (рис. 3.7, точка ).

В информационных материалах ВАХ прибора задана при 25° С.

Рис. 3.7. Линейная аппроксимация прямой ВАХ СПП

Из определения порогового напряжения и дифференциального сопротивления видно, что с изменением изменяется пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление.