Лекции по электронике2. Е. Ю. Салита
 Скачать 10.66 Mb.
|
|
8.1. Неравномерности распределения нагрузки при групповом соединении Последовательное и параллельное соединение приборов, применяемое для увеличения допустимых значений тока и напряжения в одной ветви мощного преобразователя или аппарата, называется групповым соединением. Групповое соединение иногда применяется также для повышения надежности преобразователей, в которых выход из строя отдельного прибора не должен нарушать работы всей установки. Из-за технологического разброса вольт-амперных характеристик при параллельном соединении отдельные приборы перегружаются по току, а при последовательном – по напряжению. При параллельном соединении, например, двух диодов (рис. 8.1, а) через диод VD1, имеющий более крутую прямую ветвь ВАХ (меньшее динамическое сопротивление rТ), при общем прямом напряжении uF протекает ток i1, больший, чем ток i2 диода VD2 с пологой прямой ветвью ВАХ. В случае последовательного соединения диодов VD1 и VD2 (рис. 8.1, б), имеющих разброс обратных ветвей ВАХ, при приложении обратного напряжения uR по цепи диодов протекает общий обратный ток iR. К диоду VD1 с более пологой обратной характеристикой приложена большая доля общего обратного напряжения uR, равная uR1. Увеличение разброса характеристик ухудшает работу диодов при групповом соединении. Условия работы еще более ухудшаются при групповом соединении тиристоров, В динамических режимах приложения прямого напряжения из-за разброса времени восстановления запирающей способности к тиристору с меньшим временем может прикладываться полное напряжение всей цепи, и тиристор может самопроизвольно включаться. При параллельном соединении тиристор, имеющий меньшее время включения, воспринимает весь ток главной цепи и может выйти из строя из-за теплового пробоя. Для обеспечения надежной работы полупроводниковых приборов при групповом соединении, как правило, должны применяться меры для равномерного распределения тока при параллельном и напряжения при последовательном соединениях.  а б Рис 8.1. Схемы параллельного (а) и последовательного (б) соединений диодов и соответствующие им графики неравномерности распределения прямого тока и обратного напряжения 8.2. Параллельное соединение полупроводниковых приборов При параллельном соединении необходимо обеспечивать равномерное распределение прямого тока в статическом и переходных режимах. Эта задача достаточно просто решается в диодных схемах, поскольку характеристики приборов имеют не слишком большой разброс. Значительно сложнее решить ее при использовании транзисторов и тиристоров. Используются два пути выравнивания тока при параллельном соединении: подбор приборов одного типа с одинаковыми характеристиками и принудительное деление тока с помощью дополнительных электротехнических устройств. Процентное выражение недоиспользования нагрузочной способности силовых полупроводниковых приборов (СПП) при параллельном соединении из-за неравномерности деления тока определяется по формуле  , (8.1)где I – результирующий прямой ток параллельного соединения; a – число параллельных приборов;  – максимально допустимый ток одного прибора.Из выражения (8.1) можно получить максимально допустимый ток прибора при заданной неравномерности деления тока:  . (8.2)Обычно допускается недоиспользование нагрузочной способности не более 101%. При этом в тяговых преобразователях применяют способ подбора приборов с разбросом напряжения не более 0,02 В. Чем меньше допустимый процент снижения нагрузочной способности, тем дороже установка, так как подбор приборов с идентичными характеристиками очень трудоемок. Увеличение допустимой неравномерности приводит к чрезмерному завышению установленной мощности приборов в групповом соединении. Поэтому часто вместо подбора приборов прибегают к принудительному делению тока. Если разброс значений тока не должен превосходить 10 %, то следует использовать внешние делители тока. Могут использоваться активные и индуктивные делители. Применение активных делителей (рис. 8.2, а) эффективно, но мощность, выделяющаяся в них, может быть значительной. Например, при IF = 190 А, х1= 10 %, IF1 = 100 А, IF2 = 90 А, UF1 = 1,6 В, UF2 = 1,7 В уравнение равновесия в цепи имеет вид u + 100 R = 1,7 + 90 R, откуда R = 0,01 Ом. Мощность потерь в резисторах РR = 0,01 (1002 + 902) = 181 Вт. Поэтому в мощных преобразователях больше распространен способ деления тока индуктивными делителями. Как правило, индуктивный делитель представляет собой тороидальный магнитопровод, сквозь окно которого пропущены токоведущие шины таким образом, чтобы МДС, создаваемые токами IF1 и IF2 (рис. 8.2, б), действовали встречно. В подавляющем большинстве случаев применяют одновитковые делители – наиболее простые по своей конструкции. Если токи IF1 и IF2 равны, то результирующий магнитный поток в сердечнике равен нулю, и учитывается только активное сопротивление. Если же токи различны, то возникает нескомпенсированный магнитный поток, вызывающий компенсирующую ЭДС в обмотках дросселя, приводящую к выравниванию токов. В индуктивных делителях потери незначительны, но усложнена конструкция преобразователя.  а б Рис 8.2. Схемы выравнивания прямых токов при параллельном включении полупроводниковых приборов Индуктивные делители при числе параллельных приборов более двух могут включаться по разным схемам: в замкнутую цепь, с задающим прибором, с общим витком. С учетом того что способ подбора приборов трудоемок, активные делители не экономичны, а индуктивные громоздки. При конструировании преобразователя задачу деления тока решают на основе технико-экономического обоснования для конкретных условий. 8.3. Последовательное соединение полупроводниковых приборов Применение последовательного соединения приборов эффективно, если успешно решается задача равномерного деления обратного и прямого (для тиристоров и транзисторов) напряжений в статическом и динамическом режимах. Из-за разброса значений обратных токов и токов утечки, значений прямого напряжения в проводящем состоянии, емкостей p-n-переходов, времени задержки включения и времени выключения отдельных приборов это условие не выполняется. Поэтому при последовательном соединении принимают меры, обеспечивающие равномерное деление напряжения. Для выравнивания напряжения применяют подбор приборов одного класса с близкими значениями обратных токов и токов утечки или устанавливают специальные делители и схемы управления тиристорами и транзисторами. В качестве выравнивающих устройств используют (рис. 8.3): в статических режимах – активные делители R (рис. 8.3, а), в переходных режимах – активно-емкостные делители (RС-цепи) (рис. 8.3, б), емкостные делители С, комбинированные делители с диодами (RCD-цепи) (рис. 8.3, в).  а б в Рис 8.3. Схемы цепей, выравнивающих напряжение в статическом и динамическом режимах при последовательном соединении полупроводниковых приборов Применение активных делителей R сопровождается потерями энергии, значение которой увеличивается с уменьшением сопротивления резисторов. Поэтому стремятся установить резисторы с максимально возможным сопротивлением, при котором разброс напряжений не превышает допустимых границ. В последовательной цепи самое большое напряжение воспринимает прибор, обладающий наибольшим внутренним сопротивлением. Его обратный ток или ток утечки наименьший. В случае применения тиристоров последовательно с конденсаторами включается низкоомный (примерно несколько десятков ом) резистор (рис. 8.3, б). Резистор служит для ограничения тока разряда конденсатора через включившийся тиристор. Для тиристоров и транзисторов используется RCD-цепь (рис. 8.3, в), обеспечивающая равномерное деление обратного напряжения как RС-цепь, а прямого – как емкостный делитель. Такая цепь, кроме функций делителя, обеспечивает снижение скорости приложения прямого напряжения duD/dt. 8.4. Параллельно-последовательное соединение полупроводниковых приборов Такое соединение применяется в мощных высоковольтных полупроводниковых преобразовательных аппаратах. Возможны соединения приборов двумя различными способами: параллельное соединение а самостоятельных ветвей, каждая из которых содержит s последовательных приборов (рис. 8.4, а) и последовательное соединение s самостоятельных рядов, каждый из которых состоит из а параллельных приборов (рис. 8.4, 6).  а б Рис 8.4. Схемы последовательно-параллельного соединения полупроводниковых диодов Первый способ основан на классической схеме построения последовательной цепи с устройствами принудительного деления напряжения для каждой из параллельных ветвей. Ветви могут быть включены параллельно без дополнительных устройств деления тока, если при s > 2 разброс по результирующему прямому напряжению всех ветвей в допустимых пределах. Такой подбор приборов не представляет сложности. Этот способ отличается многоэлементностью устройств деления напряжения. Второй способ основан на классической схеме соединения приборов с устройствами деления тока (индуктивные делители ИД) для каждого из последовательных рядов. Ряды между собой соединяются последовательно с использованием общих на каждый ряд устройств принудительного деления напряжения. В этом способе устройства деления тока громоздки. В реальных схемах преобразователей предпочтительна схема группового соединения полупроводниковых приборов (рис. 8.5). В этой схеме ветви преобразовательных диодов объединены между собой низкоомными резисторами связи R сопротивлением 0,5-0,8 Ом. При таком соединении допустимы применение общих для каждого ряда устройств деления напряжения и отказ от устройств деления тока благодаря выравниванию прямого напряжения при числе рядов более двух. Групповое соединение в данной схеме конструктивно не сложно и обеспечивает достаточно полное использование приборов по току и по напряжению.  Рис 8.5. Схема группового соединения полупроводниковых диодов 9. Охлаждение силовых полупроводниковых приборов 9.1. Способы охлаждения полупроводниковых приборов Отведение от полупроводниковых приборов греющей мощности, достигающей сотен ватт и даже нескольких киловатт, осуществляется системой охлаждения, в которую входят охладитель и охлаждающая среда. В качестве охлаждающей среды используется воздух, масло или вода. Основные физические константы, характеризующие теплотехнические свойства охлаждающих сред, приведены в табл. 9.1. Сравнительная теплопередача системы, в которой используется в качестве охлаждающей среды воздух, масло, вода, характеризуется соотношением 1:10:100, т. е. наилучший отвод теплоты достигается при передаче от металла охладителя к охлаждающей воде. Таблица 9.1 Основные физические константы, характеризующие теплотехнические свойства охлаждающих сред
Передача тепла (в газах, жидкостях и твердых телах) происходит от молекулы к молекуле. При конвекции передача тепла происходит в результате взаимодействия масс материальных частиц. Различают свободную и принудительную конвекцию. В принудительной конвекции охлаждающая среда перемещается посредствам вентилятора или насоса. При тепловом излучении тепло передается благодаря распространению электромагнитных волн в области инфракрасного спектра. Излучение является видом передачи тепла, которая может осуществляться, в том числе и вакууме. В зависимости от вида охлаждающей среды системы охлаждения принято разделять на воздушные, жидкостные и испарительные. Способы охлаждения полупроводниковых приборов разнообразны и могут основываться на их прямом (непосредственном) взаимодействии с внешней охлаждающей средой или на применении промежуточного контура с теплоносителем. В зависимости от реализации движения охлаждающей среды относительно охладителя различают естественное и принудительное охлаждение. 9.2. Воздушное естественное и принудительное охлаждение Естественное охлаждение достигается благодаря конвекции и излучению при свободном движении воздушного потока вдоль поверхностей охладителя и самого прибора. В воздушной системе охлаждения для таблеточных СПП большой мощности (рис. 9.1) таблеточный СПП 2 крепится между двумя охладителями 1 и 3 с помощью двух болтов 4. Болты изолированы друг от друга втулками 5. Требуемое усилие сжатия обеспечивается траверзой 6 из закаленной стали. Для обеспечения равномерного давления на контактные поверхности таблетки усилие сжатия от траверзы передается через промежуточный полусферический элемент (на рис. 9.1 не показан). Охладители с продольными ребрами 7 представляют собой элементы с сильно развитой поверхностью из стандартных алюминиевых профилей разнообразного сечения. В комплексе с охладителем имеются токопроводящие шины 8 и детали крепления. В табл. 9.2 приведены технические данные типовых охладителей для воздушного охлаждения таблеточных СПП.  Рис. 9.1. Охладитель О243-150 Таблица 9.2 Технические данные типовых охладителей для воздушного охлаждения таблеточных СПП
Буквенно-цифровое обозначение воздушных охладителей содержит: букву О, трехзначную цифру для обозначения конструктивного исполнения (для приборов штыревого исполнения последняя цифра 1, для приборов таблеточного исполнения – 3); трехзначную цифру соответствующую длине L охладителя в мм; климатическое исполнение и категорию размещения. Например, полное обозначение охладителя О131-60У2 означает охладитель для прибора штыревого исполнения длиной 60 мм, исполнение для умеренного климата, категория размещения 2. Охладитель воздушного охлаждения при размерах примерно 150 x 150 x 150 мм обеспечивает при естественном охлаждении рассеивание мощности 2201Вт. Применение принудительного охлаждения позволяет с помощью этих же охладителей рассеивать мощность большую в 3-4 раза. Принудительное охлаждение может быть воздушным и жидкостным, чаще всего водяным. Водяное охлаждение позволяет рассеивать большие мощности, чем воздушное охлаждение. Упрощенная конструкция водяного охладителя (рис. 9.2) содержит основание 1 с двумя штуцерами, корпус 2 с внутренней полостью в виде сложного лабиринта для повышения теплопередачи и резьбовое отверстие 3 для крепления прибора 4. Для подвода и отвода охлаждающей воды на штуцеры крепятся шланги 5. При двустороннем водяном охлаждении таблеточных приборов водяные охладители позволяют рассеивать мощности до 3 кВт и более. В качестве водопроводящих труб могут использоваться шины, на которых крепятся СПП.  Рис. 9.2. Охладитель для полупроводникового прибора штыревого исполнения с водяным охлаждением |