Групповое соединение полупроводниковых приборов.

Последовательное и параллельное соединение полупроводниковых приборов, применяемое для увеличения допустимых значений тока и напряжения в одной ветви мощного преобразователя, называется ГРУППОВЫМ СОЕДИНЕНИЕМ. Групповое соединение иногда применяется также для повышения надежности преобразователей, чтобы выход из строя отдельного прибора не нарушал работы всей установки. Из-за технологического разброса вольт-амперной характеристики при параллельном соединении отдельные полупроводниковые приборы перегружаются по току, а при последовательном – по напряжению. При групповом соединении тиристоров условия работы еще более ухудшаются из-за разброса временных характеристик. В динамических режимах приложения прямого напряжения при последовательном соединении тиристор с меньшим временем восстановления может оказаться под воздействием полного напряжения цепи и самопроизвольно включаться. При параллельном соединении тиристор, имеющий меньшее время включения, воспринимает весь ток главной цепи и может выйти из строя по причине теплового пробоя. Для обеспечения надежной работы силовых полупроводниковых приборов при их групповом соединении должны применяться меры для равномерного распределения тока при параллельном и напряжения при последовательном соединениях.

Последовательное соединение диодов.
Если требуется получить большие значения выпрямленного напряжения, применяют последовательное соединение диодов. Построение преобразовательной установки с одиночными диодами в этом случае не представляется возможным из-за недопустимо высокого обратного напряжения, которое будет приложено к силовым полупроводниковым приборам (рис. 10.18, а). Например, в выпрямительных установках тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7 и электровозов ВЛ60, ВЛ80 применяют диоды 7-го и 8-го классов, рассчитанные на номинальное напряжение 700…800 В. Однако номинальное напряжение на выходе выпрямительной установки составляет 1450...1650 В, а обратное напряжение в переходных процессах может достигать 4000 В.

Рис. 10.18. Последовательное включение силовых полупроводниковых приборов.
а – схема соединения; б – вольтамперные характеристики вентилей;
в – схема соединения с выравниванием обратных напряжений.

Число последовательно соединенных диодов в каждой фазе выпрямительной схемы с нулевым выводом или в каждом плече мостовой схемы выбирают так, чтобы напряжение на одном диоде при нормальном рабочем режиме не превышало его номинального повторяющегося обратного напряжения: nпосл = kнерkпUобрmax / kвUном (10.28) где kнер – коэффициент неравномерности распределения напряжения по последовательно включенным приборам (для лавинных диодов kнер = 1,0, для других kнер = 1,2...1,3); kп – коэффициент перенапряжений (kп = 1,2); Uобрmax – максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду, В; kв– коэффициент, который зависит от типа применяемых диодов (для кремниевых диодов kв = 1,2). Перенапряжения на отдельных диодах, включенных последовательно, вызываются различными сопротивлениями отдельных диодов и различием их вольтамперных характеристик (рис. 10.18, б). Например, при последовательном включении диодов VD1 и VD2 с различными вольтамперными характеристиками общее обратное напряжение Uобр распределяется между ними неравномерно, так как при некотором общем обратном токе Iобр к диодам приложены разные напряжения Uобр1 и Uобр2. При увеличении температуры диодов эта разница и Iобрmах могут значительно возрасти. При последовательном включении диодов для равномерного распределения напряжения между ними параллельно диодам включают шунтирующие резисторы RШ. Эти резисторы образуют делитель напряжения, который делит общее обратное напряжение Uобр, приложенное ко всем диодам, на равные части Uобр1 = Uобр2 независимо от внутренних сопротивлений диодов. Сопротивления шунтирующих резисторов выбирают так, чтобы протекающий по ним ток был в несколько раз больше наибольшего обратного тока, протекающего через включенные последовательно диоды. Во избежание больших потерь энергии рекомендуется специально подбирать последовательно включаемые диоды по их вольтамперным характеристикам: диоды должны иметь одинаковый класс, близкие обратные ветви характеристики и одинаковые температурные коэффициенты. Лавинные диоды, которые допускают большие значения обратных токов, соединяют последовательно без шунтирующих резисторов. Если напряжение на каком-либо диоде, например VD1, достигает напряжения стабилизации, при котором происходит лавинный пробой, то дальнейшего увеличения обратного напряжения на данном диоде не происходит. Поэтому для лавинных диодов запас максимально допустимого напряжения составляет 1,3...1,5 Uoбpmах вместо 2...3 Uобрmах для обычных диодов. В случае применения тиристоров для выравнивания обратных напряжений используют резисторные делители напряжения и RС-цепочки (R1C1, R2C2), обеспечивающие снижение скорости нарастания прямого напряжения dUd /dt (рис. 10.18, в).

Параллельное соединение диодов.
Для получения большого выпрямленного тока применяется параллельное соединение диодов (рис. 10.19, а). Число параллельно включенных диодов выбирают так, чтобы ток, проходящий через каждый диод, не превышал номинального тока. При параллельном соединении нескольких диодов из-за различия прямых ветвей их вольтамперных характеристик распределение тока между диодами оказывается неравномерным. Больший ток протекает через диод, имеющий меньшее падение напряжения, т.е. более крутую вольтамперную характеристику (рис. 10.19, б). Например, при параллельном соединении диодов VD1 и VD2 с различными вольтамперными характеристиками напряжение A UB, приложенное к диодам, при включении в прямом направлении одинаково, а токи разные. Ток Iв2, проходящий через диод VD2, больше тока Iв1 в диоде VD1. Такая неравномерность в распределении тока нагрузки приводит к недопустимому нагреву диода и требует снижения мощности преобразователя. Для сглаживания неравномерности в распределении токов по отдельным параллельным ветвям специально подбирают диоды по их прямым вольтамперным характеристикам. При этом стремятся, чтобы параллельно включенные диоды имели близкие по величине падения напряжения (разность не более 0,02 В). Но даже и в этом случае неравномерность в распределении токов составляет около 20%. На это значение приходится снижать общий ток Id выпрямительной установки.

Количество параллельно включенных диодов можно ориентировочно определить исходя из соотношения: nпар = kнерkпIdmax / Iном (10.29)

Рис. 10.19. Параллельное включение силовых полупроводниковых приборов.
а – схема соединения, б – вольтамперные характеристики вентилей.

где kнер – коэффициент неравномерности распределения токов по параллельно включенным приборам (для большинства диодов промышленного применения kнер = 1,2...1,3); kп – коэффициент возможных перегрузок по току (kп = 1,2); Idmax – максимальный выпрямленный ток, А; Iном – номинальный ток диода, А.

При конструировании полупроводникового преобразователя задачу деления тока решают в каждом конкретном случае на основе технико-экономического обоснования. В частности, в локомотивных выпрямительных установках эта задача решена за счет более чем двукратного запаса по мощности. Длительный период монопольное положение среди силовых полупроводниковых приборов, используемых в статических преобразователях энергии, занимали силовой биполярный транзистор и обычный тиристор. Применение этих приборов позволило сделать качественный скачок в развитии силовой электроники. Однако присущие им недостатки в дальнейшем стали сдерживающими факторами в этой области. Принципиальными недостатками биполярного транзистора являются значительная мощность, потребляемая на управление, и большое напряжение насыщения. Недостатки тиристора – неполная управляемость и сравнительно низкое быстродействие (fs ≤ 1 кГц). Это проявляется в необходимости принудительной коммутации тиристора при его выключении. В результате затрудняется практическая реализация схем выпрямительно-инверторных преобразователей. Новые перспективы в принципиальном совершенствовании параметров транзисторов в части существенного снижения мощности управления и повышения быстродействия открыло создание силового МОП-транзистора. В настоящее время МОП-транзисторы используются на рабочие напряжения, не превышающие 400 В. Из-за относительно высоких значений сопротивления мощные МОП-транзисторы уступают биполярным в отношении потерь мощности в проводящем состоянии. Компромиссным техническим решением, позволившим реализовать положительные качества как биполярных, так и МОП-транзисторов, стало создание IGBT-транзисторов (биполярный транзистор с полевым управлением). Эти транзисторы обладают хорошими частотными свойствами (fs > 20 кГц), крайне низкими значениями мощности управления и падения напряжения (2,5... 3,5 В) в проводящем состоянии при рабочих напряжениях до 1700 В и токе 1200 А. Благодаря этим качествам область использования IGBT-транзисторов постоянно расширяется и начинает занимать доминирующее положение в устройствах преобразовательной техники средней и большой мощности. На основе IGBT-транзисторов в настоящее время разрабатывается большинство силовых электронных устройств. Практически все крупнейшие фирмы мира, производящие электронную продукцию, развивают новые технологии IGBT-транзисторов. Появилась возможность создания унифицированной схемы выпрямительно-инверторного преобразователя энергии VT1– VT6. С использованием модулей IGBT-транзисторов разработан статический преобразователь энергии для привода переменного тока скоростного электропоезда «Сокол» (рис. 10.20).

Рис. 10.20. Статический преобразователь энергии электропоезда «Сокол»

Для увеличения допустимого диапазона рабочих мощностей статического преобразователя энергии IGBT-транзисторы могут работать параллельно. При этом для обеспечения оптимального распределения токов должно быть выполнено следующее условие: параллельно включенные IGBT -транзисторы должны быть расположены рядом друг с другом для обеспечения одинаковых условий работы. По этой причине они выполняются в виде модулей из двух, четырех или шести транзисторов с отсекающими диодами на общей подложке.

Рис. 10.21. Выпрямительная установка УВКТ-5 тепловоза.

Все силовые электрические соединения должны быть выполнены симметрично и с минимальной индуктивностью соединений. Соединения между схемой управления и параллельно включенными IGBT-транзисторами также должны быть симметричны и обладать минимальной индуктивностью. Значения порогового напряжения затвора и напряжения насыщения открытого транзистора должны быть близкими.

Параллельно-последовательное соединение диодов.
В мощных высоковольтных полупроводниковых преобразователях электроэнергии применяется параллельно-последовательное соединение диодов. В этом случае предпочтение отдают лавинным диодам, так как технология их изготовления обеспечивает более равномерную структуру р – n-перехода и меньший разброс вольтамперных характеристик, чем у простых диодов. Например, в одном плече тепловозной выпрямительной установки УВКТ-5 имеется десять параллельных ветвей по два последовательно соединенных диода в ветви (рис. 10.21).