Защита силовых полупроводниковых приборов в тиристорных регуляторах

Необратимые процессы в силовых полупроводниковых приборах связаны чаще всего с увеличением температуры их р-п-переходов. При превышении температуры р-н-перехода >140 °С диоды и тиристоры теряют свои основные технические характеристики, такие приборы уже не способны работать в схемах и неремонтопригодны, они подлежат замене. Причины повышения температуры р-п-переходов связаны с повышением мощности потерь в полупроводниковой структуре и в приборе в целом. Это следует учитывать при разработке полупроводниковых схем, выборе полупроводпиковых элементов и строго соблюдать технические условия на применяемые полупроводниковые приборы и рекомендации по их щщите.

Известные меры по защите полупроводниковых приборов так или иначе связаны с уменьшением потерь и, следовательно, температуры в полупроводниковой структуре.

Защита от перенапряжений. В процессе работы тиристорно-импульсных регуляторов периодически включаются и выключаются те или иные полупроводниковые приборы. Эти процессы сопровождаются появлением напряжений на полупроводниковых приборах, которые могут достигать опасных для них значений. Природа перенапряжений заключается в том, что при восстановлении запирающих свойств полупроводниковых приборов происходит очень быстрое (несколько микросекунд) изменение проводимости р-п-перехода, которое приводит к столь же быстрому изменению тока, протекающего через прибор. В реальной схеме практически всегда имеется индуктивность в цепи полупроводникового прибора (элементы схемы, провода и т. п.) и поэтому при быстром изменении тока в ней появляется э. д. с. самоиндукции, которая прикладывается к полупроводниковому прибору. Значение э. д. с. самоиндукции зависит от индуктивности цепи и скорости изменения тока в ней, т. е. скорости изменения проводимости р-п-перехода. Скорость изменения проводимости р-и-перехода зависит в свою очередь от нескольких параметров, среди них: прямой ток через прибор непосредственно перед выключением, скорость спадания прямого тока, обратный (сквозной) ток и скорость его нарастания, температура р-п-пере-хода, конструкция и технология изготовления прибора и др.

Наиболее часто встречающимся средством снижения указанного перенапряжения является включение параллельно каждому полупроводниковому прибору цепочки, состоящей из последовательно включенных резисторов к сопротивлением 10-30 Ом и конденсатора С емкостью 0,5-2 мкФ. Параметры защитных ^С-цепей зависят от многих факторов, в том числе от типа полупроводниковых приборов, протекающих через них токов, а также схемы включения прибора, монтажа и др.

Окончательно проверяют параметры /?С-цепей опытным путем во время работы тиристорного прерывателя. Защитные ЯС-цепи включаются для защиты как силовых тиристоров, так и диодов.

Другим способом ограничения перенапряжений на полупроводниковых приборах служит включение параллельно защищаемому прибору другого полупроводникового прибора с лавинной характеристикой в обоих направлениях - ограничителя напряжения, который способен в течение короткого времени ограничить напряжение на своих зажимах. Характеристику ограничителя напряжения выбирают так, чтобы напряжение его лавинообразования было ниже неповторяющегося напряжения защищаемого полупроводникового прибора. Следует отметить, что защита полупроводниковых приборов ограничителями напряжения увеличивает стоимость преобразователя на 15-30%.

Ограничение скорости нарастания прямого тока. Скорость, с которой происходит нарастание прямого тока через тиристор, для каждого типа прибора регламентируется. Превышение этой скорости может приводить к недопустимому перегреву тиристора и выходу его из строя. Данное ограничение связано с процессом отпирания тиристора. При подаче импульса управления на вход тиристора последний переходит из закрытого состояния в проводящее. Однако вся площадь шайбы прибора становится проводящей не сразу после появления импульса управления. Сначала увеличивается проводимость той части шайбы, которая расположена ближе к управляющему электроду. Затем зона проводимости увеличивается за счет периферийных по отношению к управляющему электроду областей полупроводниковой шайбы.

Время распространения зоны проводимости по полупроводниковой шайбе, хотя и составляет несколько микросекунд, может оказаться достаточным для локального перегрева и выхода тиристора из строя, если на время, пока проводит ток только часть шайбы, не принять меры по его ограничению. Иными словами, на интервале времени отпирания тиристора необходимо дозировать анодный ток в соответствии со скоростью распространения зоны проводимости полупроводниковой шайбы. Обычно в схемах тиристорных прерывателей ограничение скорости нарастания тока в тиристорах обеспечивают включением в анодную цепь защищаемого тиристора катушки индуктивности линейной или нелинейной.

Допустимая скорость нарастания тока [с?//Л]_ДОп обычно известна для данного типа тиристора. Если перед включением к тиристору было приложено постоянное напряжение, то индуктивность выбирают их соотношения

---. (126)

[Л/сЭДдоп

Включение в цепь тиристора катушки с линейной индуктивностью, как правило, приводит к увеличению емкости коммутирующего конденсатора, а в некоторых случаях может оказать нежелательное влияние на переходные процессы в тиристорном регуляторе.

В значительно меньшей степени указанные недостатки проявляются, если вместо катушки с линейной индуктивностью включить в цепь тиристора дроссель насыщения. Обычно обмотка дросселя насыщения размещается на стальном сердечнике (чаще тороидальной формы), имеющем прямоугольную петлю гистерезиса. Поэтому при включении тиристора в первый момент напряжение прикладывается к дросселю насыщения и через него протекает ток намагничивания (единицы ампер) до тех пор, пока не произойдет насыщение сердечника дросселя. Время задержки анодного тока тиристора, т. е. время насыщения сердечника дросселя, должно быть больше времени включения тиристора. Время насыщения дросселя

где В_тах - максимальная индукция сердечника, Тл;

Ш - число витков обмотки дросселя;

5 - сечение стали сердечника, см²;

Кз - коэффициент заполнения стали, /с₃ = 0,8-р0,9;

0-среднее напряжение, приложенное к дросселю, В.

После насыщения дросселя индуктивность его резко уменьшается и мало оказывает влияния на процессы в тиристорном регуляторе.

К недостаткам дросселей насыщения можно отнести более сложную конструкцию и технологию изготовления, а также необходимость перемагничивания их в исходное состояние с частотой работы тиристорного регулятора.

На потери в тиристорах в начале их включения оказывают также существенное влияние параметры управляющих сигналов. Чем больше амплитуда и крутизна переднего фронта управляющего сигнала, тем меньше эти потери. Поэтому для снижения потерь при включении тиристоров управляющие сигналы стремятся сделать в форме импульсов с большой крутизной переднего фронта (до 2 А/мкс) и большой амплитудой (до 1-2 А). Чтобы не перегрузить вход тиристоров по току, длительность управляющих импульсов ограничивают временем 50-100 мкс.

Следует отметить, что значения указанных параметров управляющих импульсов тиристоров можно считать ориентировочными, так как они зависят от конкретного типа тиристора.

Ограничение скорости нарастания прямого напряжения. Изменение во времени прямого напряжения на тиристорах сопровождается протеканием токов в полупроводниковой структуре через емкостное сопротивление утечки. Этот ток способствует отпиранию тиристора в прямом направлении. Причем, чем больше скорость нарастания прямого напряжения, тем больше емкостный ток утечки и, следовательно, вероятность ложного отпирания тиристора.

Для защиты тиристоров от ложного отпирания при приложении к нему прямого анодного напряжения стремятся не превышать некоторой, оговоренной в паспорте тиристора допустимой скорости нарастания прямого напряжения (с?П/Л)_доп. Ограничение скорости нарастания прямого напряжения на тиристорах достигают включением параллельно тиристору ^С-цепей.

Следует отметить, что специальные средства ограничения скорости нарастания прямого напряжения требуются не во всех схемах и не на всех тиристорах. В тех случаях, когда прямое напряжение на тиристорах определяется скоростью заряда коммутирующего конденсатора, необходимости в специальных средствах для ограничения йи/сИ не возникает, так как требование по времени восстановления тиристора уже обеспечивает требования по ограничению аи/са.

Защита полупроводниковых приборов от короткого замыкания.

Режимы короткого замыкания, которые имеют место как при случайном замыкании проводов, так и при сбоях в работе самого тиристорного регулятора, являются опасными режимами для полупроводниковых приборов. Поэтому при выборе средств их защиты следует учитывать время срабатывания защиты, перегрузочную способность полупроводниковых приборов, а также их исходную (рабочую) температуру.

Большое значение для защиты полупроводниковых приборов по току имеет место их включения в схеме.

Для снижения вероятности протекания тока к.з. через полупроводниковые приборы тиристорный регулятор стремятся включать в минусовый провод схемы. Причем таким образом, чтобы в наиболее вероятных случаях возникновения короткого замыкания в цепь контура короткого замыкания попадали элементы схемы, способные ограничить амплитуду тока к. з. (реактор помехоподавления, двигатели, сглаживающие индуктивности и т. д.).

С учетом вышеизложенного и опыта использования тиристорных систем на подвижном составе защиту полупроводниковых приборов можно осуществлять автоматическими выключателями со свободным расцеплением, которые используют на подвижном составе для защиты электрооборудования. Кроме автоматических выключателей, при необходимости могут применяться специальные быстродействующие предохранители.