Основные параметры тиристоров

 

Тиристор, как и любой полупроводниковый прибор, обладает целым рядом параметров, которые принято разделять на граничные (предельно допустимые), определяющие установленный для прибора предельный режим работы (с ограничением сверху или снизу), в рамках которого прибор функционирует в соответствии со своими конструктивными возможностями, и характеризующие параметры, измеряемые параметры прибора, сообщаемые для описания его свойств.

Основными граничными параметрами, определяющими выбор тиристора для выпрямителей – допустимый прямой ток (среднее значение) и допустимое обратное напряжение (амплитудное значение). Они должны быть в 1,5 – 2 раза меньше предельно допустимых значений, которые указываются в справочниках, так как, во-первых, эти параметры приводятся для определённых условий (например, условия охлаждения), а во-вторых, в цепях с ключевыми элементами могут возникать переходные процессы, максимальное значения напряжения в которых может значительно превышать ожидаемое значение.

Среди параметров тиристора можно также отметить максимально допустимое прямое напряжение (напряжение, при котором тиристор будет переходить в проводящее состояние при отсутствии импульса управления). Превышение этого параметра может приводить к неправильному функционированию устройства либо к выходу тиристора из строя. Самопроизвольное отпирание тиристора возможно и при превышении допустимой скорости нарастания прямого анодного напряжения du/dt, что может иметь место в схемах со значительными пульсациями и всплесками напряжения на аноде. 

В иных тиристорных устройствах, например генераторах мощных коротких импульсов, тиристор выбирается не по среднему току, а по максимально допустимому амплитудному значению тока и по максимальной скорости нарастания тока (di/dt). Значительные скорости нарастания тока силовой цепи увеличивают потери тиристора при включении. Кроме того, при медленном отпирании тиристора (например, вследствие конструктивных особенностей тиристора или недостаточной скорости нарастания тока управления) быстро нарастающий силовой ток неравномерно распределяется по площади кристалла, вызывает локальный перегрев участков полупроводника и выход тиристора из строя.

К характеризующим параметрам относятся прямое падение напряжения на открытом тиристоре, ток удержания, токи утечки, время отпирания (включения), время восстановления управляемости (запирания), тепловое сопротивление и др.

 

Потери мощности в тиристоре

 

Тиристоры могут использоваться в силовых цепях с коммутируемой мощностью до 10 – 100 кВт. При таких мощностях даже незначительные в процентном соотношении потери в силовых ключах в абсолютном выражении достаточно велики, при этом вся мощность выделяется в весьма малом объёме полупроводниковой структуры, что приводит к значительному увеличению её температуры и вероятность выхода прибора из строя увеличивается.

Нагрев p-n-p-n-структуры обусловлен электрическими потерями в ней, которые можно разделить на пять видов:

1) потери за счёт прямого падения напряжения при протекании прямого тока (основные в устройствах промышленной частоты);

2) потери за время переключения тиристора (коммутационные или динамические потери), преобладают в устройствах повышенной частоты (преобразователях частоты), устройствах с большим значением di/dt;

3) потери в цепи управляющего электрода (потери управления);

4) потери от тока утечки в прямом направлении (при закрытом тиристоре);

5) потери от тока утечки в обратном направлении (при обратном напряжении).

 

Распределение потерь всех видов во времени можно проиллюстрировать на примере управляемого однополупериодного выпрямителя (резистивная нагрузка) при помощи графиков рис. 8. Пока тиристор закрыт, всё входное напряжение приложено к тиристору. При этом через него протекает незначительный ток утечки. Произведение мгновенных значений тока и напряжения на этом промежутке времени даёт мгновенные значения мощности потерь (потери вида 4). При появлении импульса управления происходит переход тиристора из закрытого в открытое состояние. Переключение тиристора занимает определённое время, в течение которого ток через тиристор может быть уже достаточно большим, а прямое напряжение ещё значительно превышать напряжение на полностью открытом тиристоре. Вследствие чего наблюдается всплеск мощности потерь (потери вида 2). В этот же промежуток времени в виде тепла выделяются потери управления (вида 3). На открытом тиристоре наблюдается прямое падение напряжения величиной до 1-1,5 В, ток силовой цепи при этом может, в зависимости от типа тиристора, достигать сотен ампер (потери вида 1). При запирании тиристора также имеют место коммутационные потери, но, так как ток и напряжение в этот момент переходят через ноль, значение мощности потерь меньше, чем при отпирании. При обратном напряжении имеет место незначительный обратный ток, и, как следствие, возникают потери вида 5.

Для эффективного отвода энергии потерь от полупроводниковой структуры мощных тиристоров используют радиаторы из материала с хорошей теплопроводностью (алюминиевые сплавы) со значительной площадью поверхности охлаждения. Часто совместно с радиаторами используются системы принудительного обдува (вентиляторы).

 

Управляемые выпрямители

 

Управляемые выпрямители преобразуют переменное (двухполярное) напряжение в постоянное (однополярное) и, кроме того, позволяют плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения.

Принцип регулирования напряжения рассмотрен на примере управляемого однополупериодного выпрямителя (рис. 9). Пусть напряжение на входе схемы изменяется по закону . В интервале , пока не подан управляющий сигнал на УЭ, тиристор закрыт, ток в нагрузочном резисторе R _н отсутствует и напряжение u _н (t)=0. В момент времени t ₁, определяемый углом управления α, от блока управления БУ поступает импульс тока управления; тиристор включается, и появляется ток в резисторе R _н; кривая напряжения u _н (t) в интервале  повторяет кривую напряжения источника питания. При переходе напряжения источника питания через нуль () тиристор выключается. В интервале  к нему приложено обратное напряжение и он остается закрытым. В момент времени, соответствующий углу , вновь подается управляющий импульс, тиристор включается. Далее процессы повторяются.

 Изменяя значения угла  от 0 до 180°, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения от максимального, равного , до нуля. Среднее за период значение выпрямленного напряжения

                           .     (7)

 Зависимость выпрямленного напряжения от угла α называется регулировочной характеристикой выпрямителя.

 Одна из схем управляемого двухполупериодного выпрямителя представлена на рис. 10а. Выпрямление напряжения в этой схеме осуществляет мостовой выпрямитель, а регулирование напряжения – тиристор VS, включенный последовательно с нагрузочным резистором R _н. Поскольку здесь используются оба полупериода напряжения (рис. 10б), при одном и том же угле α среднее значение выпрямленного напряжения в 2 раза больше, чем в однополупериодной схеме:

                         .      (8)