Тема 2.6 Защита силовых полупроводниковых приборов в тиристорных регуляторах

Защита полупроводниковых приборов от перенапряжений и коротких замыканий.

Ограничение скорости нарастания прямого тока. Ограничение скорости нарастания прямого напряжения.

Литература: [1] с.232-236.

Методические указания

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

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

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) изменением проводимости p-n-перехода, которое приводит к столь же быстрому изменению тока, протекающего чрез 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 ЭДС самоиндукции, которая прикладывается к полупроводниковому прибору. Значение ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности цепи и скорости изменения тока в ней, т.е. скорости изменения проводимости p-n-перехода. Скорость изменения проводимости p-n-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 p-n-перехода, конструкция и технология изготовления прибора.

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

Окончательно проверяют параметры RС-цепей опытным путём во время работы тиристорного прерывателя. Защитные RС-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.

Защита полупроводниковых приборов ограничителями напряжения увеличивает стоимость преобразователя на 15-30%.

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 токов коротких замыканий через полупроводниковые приборы тиристорный регулятор стремятся включать в минусовый провод схемы. Причём таким образом, чтобы в наиболее вероятных случаях возникновения короткого замыкания в цепь контура короткого замыкания попадали элементы схемы, способные ограничить амплитуду тока короткого замыкания (реактор помехоподавления, двигатели, сглаживающие индуктивности).

Следовательно, 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.

Вопросы для самоконтроля:

1 Расскажите о защите полупроводниковых приборов от перенапряжений и коротких замыканий.

2 Объясните ограничение скорости нарастания прямого тока.

3 Объясните ограничение скорости нарастания прямого напряжения.