Динамо-машины  Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [ 21 ] 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

Рис. 86. Кривые нагрева шины (2), соединяющей предохранитель ГУ) с силовым полупроводниковым прибором (i), при разной нагрузке шти

cL, мм

Рис. 87. Зависимость длины / и объема V медной шины шириной с = 20 мм от толщины d при перегревах концов шины Г, = 100 К, 7 , = 50 К [теплоотдача а=14 ВтДКм), токи от 50 до 200 А]

ного объема (следовательно, наиболее экономичная). На рис. 88 показаны такие же кривые, что и на рис. 87, отличающиеся перегревом на конце шины у предохранителя, равным Ui = 150K. Точки 1-4 на рис.87 и 88 определяют минимальные длины шин для данных токов. Минимальные объемы достигаются при меньшей толщине и большей длине шин. Чтобы предохранитель и полупроводниковый прибор не нужно было размещать далеко друг от друга, длинной шине придается /-образная форма (см. рис. 43).

Рис. 88. Зависимость длины / и объема V медной шины шириной с = 20 мм от толщины d при перегревах концов шины 7 i = 150 К, = 50 К [теплоотдача а=14 Вт/(Км), токи от 50 до 200 А]

3.4.2. Защита силовых полупроводниковых приборов от перенапряжений. Силовые полупроводниковые приборы очень чувствительны к перенапряжениям. Характеристики диодов в обратном направлении, а тиристоров в обратном и прямом направлениях в закрытом состоянии имеют ярко выраженное колено, за которым при увеличении напряжения резко возрастает ток.

Причинами перенапряжений могут быть атмосферные разряды, переключения электрических цепей и коммутационные процессы в самих полупроводниковых приборах.

Перенапряжения от атмосферных разрядов передаются по линии через трансформаторы до полупроводниковых приборов. Эти перенапряжения можно ограничить, например, уменьшением емкости между обмотками трансформаторов.

Перенапряжения при переключении электрических цепей переменного и постоянного тока преобразователя обычно имеют меньшие значения, но могут иметь большую энергию импульса, чем атмосферные перенапряжения. Наиболее неблагоприятные явления возникают при отключении трансформаторов на холостом ходу и вообще цепей с большой индуктивностью. При коммутации цепей с емкостями часто возникают перенапряжения из-за резонансных явлений.

Коммутационные перенапряжения возникают, главным образом, на тиристорах при исчезновении обратного тока восстановления. В первый момент после приложения обратного напряжения и прекращения прямого тока через переход очень короткое время течет ток в обратном направлении, и лишь

т \7

21 li

2i 21

М-

4= CZ

Рис. 89. Простейшая схема защиты от перенапряжений на основе /?С-цепочки Рис. 90. Усовершенствованная схема защиты от перенапряжений

после рекомбинации свободных носителей заряда ток быстро падает до нулевого значения. Это быстрое уменьшение тока вызывает значительное перенапряжение, которое может повредить тиристор.

Для исключения повреждения полупроводниковых приборов от перенапряжений может быть использована непосредственная или косвенная зашита.

Непосредственная защита полупроводниковых приборов заключается в том, что параллельно защищаемому прибору подключается элемент или цепь, через которые при повышении напряжения начинает протекать ток, что ограничивает максимальное значение перенапряжения.

При косвенной защите элементы или цепи защиты подключаются не непосредственно к защищаемому прибору, а в другом месте схемы преобразователя, обычно на входных и выходных зажимах. При этом способе защиты пики перенапряжений ограничиваются раньше, чем они попадают на полупроводниковые приборы.

Специальным способом защиты от перенапряжений, который может быть использован только для защиты тиристоров в прямом направлении, является использование динисторов (так называемых диодов BOD от английских слов break over diode), которые включаются между анодом и управляющим электродом тиристора. При перенапряжении или слишком резком нарастании напряжения на тиристоре этот диод становится проводящим и пропускает в управляющий электрод ток, который включает тиристор. Такое кратковременное мгновенное включение тиристоров не мешает работе преобразователя, но надежно защищает тиристор от действия перенапряжений. Для непосредственной защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений используются ЛС-цепочки, лавинные диоды, нелинейные резисторы (варисторы), селеновые вьшрямители и их комбинации. С точки зрения конструкции главным условием эффективности защиты от перенапряжения является максималь-

ная близость элементов защиты к защищаемому прибору. Соединительные провода должны быть короткими и массивными, чтобы индуктивность была минимальной. Важно, чтобы волна перенапряжения не попала на защищаемый прибор раньше, чем на элементы защиты.

Защитная RC-цепочка состоит из последовательно соединенных конденсатора и резистора (рис. 89). Эта цепочка образует с индуктивностями соединений соответствующей цепи резонансный контур, в котором крутая волна напряжения преобразуется в затухающие колебания небольшой амплитуды, препятствуя тому, чтобы энергия перенапряжения выделилась за очень малое время. Энергия волны распределяется на большой отрезок времени при меньшей мощности. Резистор ЛС-цепочки ограничивает ток разряда конденсатора при включении полупроводникового прибора и уменьшает коммутационные потери в тиристоре.

Более совершенное устройство защиты от перенапряжения, которое одновременно является ограничителем скорости нарастания напряжения на тиристоре dujdt, представляет собой комбинацию из конденсаторов, резисторов и диодов, изображенную на рис. 90. Четыре разделительные диода, образующие выпрямительный мост, отделяют цепь защиты от тиристора, чтобы она не могла разряжаться через него при коммутации. Конденсатор СУ с разрядным резистором R1 служит для защиты прибора от внешних перенапряжений и ограничения скорости нарастания напряжения dujdt, конденсатор С2 с последовательным резистором R2, разрядным резистором R3 и диодом D служат для защиты тиристора от внутренних коммутационных перенапряжений. Конденсаторы С/ и С2 заряжаются напряжением только одной полярности, следовательно, могут быть и электролитическими. Однако они должны иметь малую собственную индуктивность. Часто используется параллельное соединение электролитического и бумажного или пленочного конденсатора малой емкости. Добавочный конденсатор с очень малой индуктивностью принимает на себя первый импульс перенапряжения, а электролитический конденсатор на втором этапе поглощает следующую часть волны перенапряжения с большой энергией.

В простых защитных ЛС-цепочках чаще всего используются бумажные или пленочные конденсаторы емкостью от 0,1 до 1 мкФ и проволочные эмулированные резисторы. Минимальную индуктивность могли бы иметь бифилярные резисторы, которые, однако, в ЧССР не выпускаются. Поэтому при необходимости обеспечить экстремально низкую индуктивность используются пленочные резисторы, которые соединяются параллельно в количестве, необходимом для получения нужной общей мощности (до 8-10 шт.). Сопро-

Рис. 91. Характеристики элементов защиты от перенапряжений

тивление резисторов в защитных цепочках колеблется от 1 до 10 Ом.

Конденсаторы и резисторы ЛС-цепочек размещаются непосредственно на блоке полупроводниковых приборов (см. рис. 25, 27) или на специальной панели в непосредственной близости от блоков. Конденсаторы закрепляются на панели с помощью винтов или хомутов. Резисторы, обычно имеющие рабочую температуру поверхности выще 100 deg; С, должны размещаться так, чтобы они не нагревали конденса-

торы и полупроводниковые приборы. Обычно они закрепляются через асбестовые прокладки длинными шпильками, которые проходят через их внутреннее отверстие. Шпильки должны быть из немагнитного материала (латунь), чтобы они не увеличивали индуктивного сопротивления. Для улучшения охлаждения резистор иногда помещают в вентиляционный канал или на него направляется часть охлаждающего воздуха. Параллельно соединенные пленочные резисторы припаиваются рядом друг с другом к двум медным шинам.

Защитные цепочки с резисторами и конденсаторами имеют довольно большие размеры, требуют много места, имеют значительные потери, особенно при больших частотах, и вызывают дополнительную динамическую нагрузку тиристоров. Эта нагрузка (током разряда конденсатора) тем больше, чем эффективнее защита от перенапряжений (большая емкость, малое сопротивление). Более эффективным элементом защиты от перенапряжений являются нелинейные резисторы. На рис. 91 показаны типичные характеристики некоторых нелинейных элементов защиты. Кривая / - характеристика тиристора (в обратном и прямом направлениях). Кривая 2 - характеристика резистора (VDR) из карбида кремния. Этот резистор имеет довольно большой ток утечки уже при относительно низких напряжениях, поэтому не является лучшим элементом для защиты тиристоров. Кривая 3 - характеристика селенового ограничителя напряжения. В ЧССР этот элемент защиты вьшускает предприятие VHJ ZSE (г. Прага) под торговым названием Selimit. Но и эти элементы не являются идеальными для защиты тиристоров, как это видно из рис. 91. Малая плотность тока селеновых пластин (2,5 А/см) является причиной больших размеров элементов защиты.

Более подходящую характеристику 4 имеют оксидные варисторы. Резисторы этого типа имеют, однако, небольшую длительную мощность (менее 1 Вт), что существенно ограничивает их применение в силовых преобразователях.

Кривая 5 представляет собой характеристику металлооксид-ного варистора. Такую же характеристику имеют два лавинных диода, включенных встречно-последовательно, которые, однако, дороже и больше по размерам. Нелинейные резисторы из оксидов металлов являются самыми лучшими элементами защиты от перенапряжений. Их характеристики практически аналогичны характеристикам тиристора, но смещены к более низким значениям напряжения. Эти элементы ведут себя как лавинные диоды. Если напряжение в любом направлении меньше напряжения лавинообразования, через элемент защиты течет лишь незначительный ток аналогично обратному току тиристора. При превышении заданного уровня напряжения (пробое) сопротивление элемента защиты резко снижается и пик перенапряжения срезается за счет увеличения пика тока через нелинейный элемент. Реакция этого элемента очень быстрая, около 50 НС.

Варисторы для защиты от перенапряжения силовых полупроводниковых элементов выпускают многие электротехнические фирмы мира, например Semikron, Conradty, Brown - Boveri, Compani (BBC) (ФРГ), VEB -KW Hermsdorf (ГДР) и др.

На рис. 92 показаны характеристики варисторов типа Сопох фирмы Conradty (ФРГ). Цифры у отдельных кривых указывают допустимое эксплуатационное напряжение резистора. Для сравнения на рисунке показаны также харак1еристики линейных резисторов 10, 100 и 1000 Ом, чтобы был виден характер падения сопротивления варисторов при увеличении напряжения. Варисторы типа Сопох имеют чечевицеобразную форму толщиной не более 8 мм и диаметром от 8,5 до 24 мм. От диаметра зависит их энергоемкость, которая колеблется от 1 до 80 Дж.

Фирма ВВС (ФРГ - Швейцария) вьшускает варисторы типа BOV на напряжение от 14 до 1000 В (эффективные значения переменного напряжения) с энергоемкостью до 500 Дж (за t = 2 мс) и длительной мощностью до 1,2 Вт. Допусти-

и,в

2000

WOO 600

Ofit 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50IA Рис. 92. Характеристики варисторов типа Сопох

5-395 lt; gt;