Система условных обозначений тиристоров. Основные характеристики и параметры

На рисунке 2.7 а приведена схема управления тиристором. Управляющие импульсы амплитудой Е_У(рисунок 2.7 б) подаются на управляющий электрод через резистор R_У, служащий для ограничения тока. Диаграмма управления тиристором (рисунок 2.7 в) служит для выбора параметров схемы управления. Жирными линиями на рисунке 2.7 в показаны границы области существования входных характеристик соответствующих минимальному и максимальному сопротивлению управляющего перехода. Заштрихованная область 1 – это область существования токов управления, при которых тиристор не включается при минимальных напряжениях на аноде. Кривые 2 - это гиперболы постоянной средней мощности, выделяемой на управляющем переходе при различной относительной длительности импульсов А = ( t_И·100 %)/ T( рисунок 2.7 б), где t_И- время импульса, а Т -период их следования. На диаграмме показаны также предельно допустимые значения тока и напряжения управления.

По диаграмме управления выбираются значения Е_У, R_yи t_И (А), при которых ток управления I_У и напряжение на управляющем электроде U_У должны находиться внутри разрешенной области. Во время действия управляющего импульса справедливо уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа для цепи управления (рисунок 2.7 а)

Е_У = U_У + I_У ·R_Уили U_У = Е_У - I_У · R_У. (2.3)

Уравнение (2.4) является прямой, которая может быть построена по двум точкам: если I_У = 0, то U_У = Е_У; если U_У = 0, то I_У = Е_У / R_У.

При значениях Е_У, R_У , выбранных на рисунке 2.7 в, не превышаются допустимые величины I_У._ДОП, U_У.ДОП, а значение А не должно превышать 0, 1%.

2.3.3. Динамические характеристики тиристоров

Динамические характеристики тиристоров определяются по переходным процессам включения и выключения.

Рисунок 2.7. Схема управления тиристором (а); форма сигнала управления (б) и диаграмма управления тиристором (в)

1. Переходный процесс включения. Схема включения тиристора и переходные процессы при включении тиристором активной нагрузки приведены на рисунке 2.8. Включение происходит не мгновенно, так как должны произойти сложные физические процессы, связанные с накоплением носителей зарядов в средних слоях и расширением проводящего канала от управляющего электрода по всему объему. Для количественной оценки процесс включения разбивается на ряд интервалов. Время включения тиристора t_вкл - это время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0, 1 начального значения (оно составляет несколько микросекунд)

t_вкл= t_з + t_Н, (2.4)

где t_з - время задержки (время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0, 9 начального значения); t_Н - время нарастания (время изменения напряжения на тиристоре от 0, 9 до 0, 1 начального значения или нарастания тока от 0, 1 до 0, 9 установившегося значения).

Однако по истечении времени включения тиристор еще не полностью включается и напряжение на нем продолжает спадать до установившегося значения. Время спада напряжения на тиристоре от 0, 1 начального до установившегося значения называется временем установления t_УСТ(оно составляет 10...500 мкс).

При включении тиристора мгновенная мощность потерь может достигать очень больших значений. Например, если Е = 1000 В, а I_УСТ = 1000 А, то Р_mах = 0, 5Е·0, 5I_УСТ = 250000 Вт = 250 кВт. Чтобы облегчить условия работы тиристора при включении, целесообразно включить последовательно с тиристором индуктивность L(рисунок 2.8). Это снизит скорость нарастания анодного тока и уменьшит потери при включении. С учетом допустимых потерь при включении тиристора вводится параметр допустимая скорость нарастания анодного то =(10... 100)

Рисунок 2.8. Переходный процесс включения: схема включения (а) и переходные процессы включения тиристора (б)

2. Переходный процесс выключения. На рисунке 2.9 показана схема подачи на включенный тиристор обратного напряжения, и приведены временные диаграммы переходных процессов, возникающих при выключении тиристора.

Переходный процесс выключения тиристора состоит из двух этапов:

1) восстановление запирающей способности в обратном направлении;

2) восстановление управляемости в прямом направлении.

На интервале 0 - t₁тиристор находится во включенном состоянии

(анодный ток равен I_уст, прямое напряжение равно U_T). При приложение к тиристору скачком обратного напряжения анодный ток начинает уменьшаться (темп спада ограничивается индуктивностью L_ОГP) - интервал t₁ - t₂. После спада анодного тока и анодного напряжения до нуля, как и у диодов, начинается процесс обратного восстановления в течение времени t_rr. За это время р-n -переход, образованный между управляющим электродом и катодом (рисунок 2.5 а), освобождается от заряда избыточных носителей Q_rr (дырок), накопленных в базовом p-слое тиристора. Время обратного восстановления t_rr складывается из двух интервалов:

t_rr = t_s + t_f, (2.5)

где t_s- время запаздывания обратного напряжения; t_f- время спада обратного тока.

Рисунок 2.9. Схема подачи на включенный тиристор обратного напряжения (а) и диаграммы переходных процессов при выключении тиристора

Заряд, вытекающий из вентиля за время обратного восстановления:

Q_rr = Q_s + Q _f . (2.6)

Здесь Q_s, Q_f- заряды, вытекающие из вентиля соответственно за время запаздывания обратного напряжения и за время спада обратного тока.

Таким образом, время обратного восстановления t_rr- это время от перехода прямого тока через нуль до перехода через нуль касательной к уменьшающемуся обратному току (составляет доли или единицы микросекунд).

Однако после этого нельзя подавать прямое напряжение на тиристор, так как заряд избыточных дырок в n-базе достаточно велик и мгновенно приведет к действию регенеративный механизм включения тиристора. Поэтому требуется время на рекомбинацию накопленного заряда дырок в базовом n-слое тиристора. За это время тиристор восстанавливает свою управляющую способность в прямом направлении.

Время выключения(время восстановления запирающей способности тиристора в прямом направлении) t_q - это наименьший интервал времени от момента спада тока до нуля, до момента перехода анодного напряжения через нуль без включения тиристора. Оно составляет 10...500 мкс и ограничивает частотные возможности тиристоров. Если время, предоставленное для выключения тиристора, меньше t_q (рисунок 2.9 б пунктирные кривые u’, i’_a, u’_a), то происходит прорыв анодного тока, т.е. включение тиристора без подачи управляющего сигнала (это аварийный режим).

Переходный процесс при резком нарастании прямого напряжения на тиристоре. При нарастании прямого напряжения на тиристоре (рисунок 2.9 а) центральный р-n-переход П2 смещается в обратном направлении и через его емкость Cна управляющий электрод протекает ток, определяемый скоростью нарастания прямого напряжения:

, i_c = C · ( )

Если при каком-то этот ток достигает достаточной величины, то тиристор включается без подачи управляющего импульса. Следовательно, существует _ДОП, при котором тиристор не включится. В современных тиристорах _ДОП = (20...1000) .

2.3.4. Параметры тиристоров

Ряд параметров мощных тиристоров аналогичен параметрам выпрямительных диодов, но имеется много дополнительных параметров. Разобьем параметры тиристоров на группы.

Параметры силовой цепи по току

1) I_ТАVт- максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток), определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе с частотой 50 Гц, угле проводимости 180°, допустимой температуре кристалла или корпуса и заданных условиях охлаждения. Таким образом, он определяется так же, как и у диода. Предельный ток достигает 10 кА.

Допустимый ток тиристора, при условиях не соответствующих указанным выше, зависит от ряда факторов: частоты, угла проводимости, температуры охлаждающей среды и скорости охлаждающего воздуха (рисунок 2.10).

Зависимость допустимого тока I_TAVmот частоты в относительных единицах K_i = Ψ (f ) представлена на рисунок 2.10 а, где Ki = I_TAV / I_TAVm. С ростом частоты ток I_TAVуменьшается, так как растут коммутационные потери.

Рисунок 2.10. Зависимость допустимого тока в относительных единицах от различных факторов: частоты (а); угла проводимости (б); температуры окружающей среды (в) и скорости охлаждающего воздуха (г)

С уменьшением частоты ниже 50 Гц ток I_TAVпадает из-за больших колебаний температуры кристалла θ _pn, превышающих допустимую температуру θ _ДОП, так как при той же максимальной температуре должна быть уменьшена средняя (сравните рисунок 2.11 а и б).

Рисунок 2.11. Диаграммы тока и температуры кристалла при f= 50 Гц (а) и при f = 1 Гц (б)

Зависимость допустимого тока I_TAVот угла проводимости в относительных единицах K_i=fv(λ ) представлена на рисунок 2.10 б. С уменьшением угла проводимости растет коэффициент формы тока, поэтому при сохранении действующего значения тока снижается его среднее значение.

Зависимость допустимого тока I_TAV от температуры окружающей среды в относительных единицах K_i = f ( T °) представлена на рисунок 2.10 в.

Зависимость допустимого тока I_mVот скорости охлаждающего воздуха в относительных единицах K_i =f(V) представлена на рисунок 2.10 г. При отсутствии принудительного охлаждения воздух продолжает двигаться из-за конвекции. Эта точка на графике помечена: е.о. (естественное охлаждение).

2) I _TSM - ударный ток - максимально допустимая амплитуда импульса

аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс. Этот ток в 15...30 раз превышает предельный ток I_TAVm . Но так как предельный ток - это среднее значение, то амплитудное значение предельного тока превышается лишь в 7…10 раз.

3) dt- максимально допустимое значение интеграла аварийного тока по времени, обычно за время полупериода промышленной частоты. Оно определяет энергию, которая может выделиться в тиристоре без его разрушения.

Параметры силовой цепи по напряжению:

1) U_RRM и U_DRM- повторяющееся импульсное напряжение в обратном и прямом направлении - максимальное напряжение, которое каждый период может прикладываться к тиристору (рисунок 2.12)

U_RRM =(0, 7...0, 8)-U_BR ; U_DRM = (0, 7 k 0, 8) -U _BO . (2.7)

Здесь U_BR - напряжение лавинного пробоя; U_BO- напряжение переключения тиристора. В современных тиристорах повторяющееся импульсное напряжение достигает 10 кВ. Как и у диодов, оно определяет класс тиристора;

2) U_RSM и U_DSM- неповторяющиеся импульсные напряжения в обратном и прямом направлениях, которые редко могут прикладываться к тиристору (рисунок 2.12);

Рисунок 2.12. Параметры по напряжению на ВАХ тиристора в запертом (а) и открытом (б) состоянии

3) U_RWM и U_DWM- рабочие напряжения (рисунок 2.12), которые следует использовать в расчетах (составляют 70% от U_RRM или U_DRM );

4) U_TM- импульсное напряжение в открытом состоянии при протекании предельного тока ( 1.3 ) В;

5) U_T(TO) - пороговое напряжение тиристора, а также его дифференциальное прямое сопротивление r_Т.

Динамические параметры тиристора t_ВК, t_q, , определены при описании переходных процессов включения и выключения тиристора (рисунок 2.8 - 2.9).

Параметры цепи управления I_{у. доп}, U_{y. доп}, Р_у.доп определены при описании диаграммы управления (рисунок 2.7).